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Dipartimento di Energetica (Politecnico di Torino) – Fondazione TELIOS

Torino, 25 Settembre 2009

Sostenibilità energetica in ambito Sostenibilità energetica in ambito urbano:urbano:

Metodologie di analisiMetodologie di analisi Ing. Novella TALA’,

Responsabile Scientifico Prof. Massimo SANTARELLIDipartimento di Energetica, Politecnico di Torino

Fondazione TELIOS


Fasi di sviluppo dell’assegno1. Ricerca bibliografica sui modelli di analisi energetica e

ambientale di sistemi urbani di grandi dimensioni

2. Classificazione dei modelli di analisi ed eventuali software applicativi

3. Studio domanda energetica per settori (Trasporti, Residenziale,Commerciale, …) e relativi aspetti ambientali

4. Metodi di analisi di sistemi energetici territoriali

5. Caso studio preliminare •CASE STUDY: Quartiere di Torino •Raccolta dati •Analisi dello stato attuale •Proposta e analisi scenari alternativi •Conclusioni



Obiettivi dell’assegno


Lo studio si propone di confrontare metodologie di offerta e gestione di energia in tutti i settori che caratterizzano l’ambito urbano

Perché ambiti urbani?

Perché sono tra i principali consumatori di energia responsabili di impatti sulla biosfera e pertanto possibili laboratori di applicazione dei processi di produzione e gestione sostenibile dell’energia.


Il sistema energetico di riferimento (1)

Gli ambiti urbani rappresentano dei sistemi energetici complessi in cui i flussi di energia e di materiale sono collegati da reti di tecnologie articolate, con singole componenti ugualmente complesse




L'approccio modellistico permette di rappresentare le realtà urbane traducendo in termini matematici i flussi energetici ed i costi economici e ambientali del sistema

Rappresentazione aggregata di un sistema energetico di riferimento




Diagramma energetico

Fontiprimarie

Fontisecondarie

Vettori energetici

Processi Conversione

Residenziale

Servizi

Terziario

Trasporti

Industria

Dispositivi



Metodi di analisi

Sono state esplorate metodologie utili alla comprensione delle

trasformazioni dei flussi energetici;

Metodi di analisi adottati:

•Analisi ENergetica (Analisi WTW)

•Analisi Ambientale

•Analisi EXergetica



Analisi di un sistema energetico territorialeFasi principali dell’analisi:

Analisi

Costruzione del diagramma energetico

Acquisizione, elaborazione e controllo dei dati

Descrizione del sistema e dei suoi confini

Rappresentazione dei risultati

Interpretazione dei valori

Calcolo indicatori (ENergetici, EXergetici, Ambientali)

Valutazione finale



Analisi ENergetica-Ambientale

L’analisi WTW rappresenta una metodologia di valutazione

ENergetico-Ambientale specifica per autotrazione e costituisce un

caso particolare della metodologia Life Cycle Assessment (LCA)

•L’indice WTT (Well-to-Tank) tiene conto dell’energia utilizzata per

estrarre, lavorare e trasportare la fonte primaria sino al parco combustibili.

•L’indicatore TTW (Tank-to-Wheel) caratterizza le modalità con cui il

combustibile è impiegato in una specifica tecnologia.

•L’indicatore composto WTW (Well-to-Wheel) permette di paragonare le

diverse combinazioni di fonte primaria e tecnologia che la utilizza.



Analisi ENergetica

Schematicamente le fasi della sequenza WTW sono

Produzione, trasporto e distribuzione materie prime

Fase d’uso(utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia)

WTTEN

TTWEN

WTWEN

Fase 1

Fase 2

L’indicatore WTWENERGETICO valuta i costi energetici di un

servizio energetico espressi in MJ/MJ



Analisi Ambientale

Schematicamente le fasi della sequenza WTW sono

Produzione, trasporto e distribuzione materie prime

Fase d’uso(utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia)

WTWAMB

Fase 1

Fase 2

L’indicatore WTWAMBIENTALE valuta i costi ambientali di un

servizio energetico espressi in t(CO2)/MJ

WTTAMB

TTWAMB



Indicatori:

•Efficienza energetica

•Fabbisogno di energia primaria

•CO2(emessa)/y


Analisi ENergetica-Ambientale


Analisi EXergetica (1)

La conservazione dell’energia nel suo complesso enunciata dal Primo Principio della Termodinamica fornisce informazioni quantitative, ma non rende conto delle qualità intrinseche di una forma di energia rispetto ad un’altra.

Il Secondo Principio della Termodinamica permette di conoscere in termini anche qualitativi le energie in gioco.

Perdita di qualità energetica in un processo reale




L’Exergia di un flusso energetico (termico, elettrico, associato

a una massa) è la massima quantità di lavoro ottenibile da una

trasformazione reversibile del flusso energetico fino a portarlo

in equilibrio con l’ambiente

L’ EXergia posseduta da un certo sistema è definita “come il

massimo lavoro estraibile dai flussi di energia che il sistema

scambia con l’ambiente circostante sino a portarsi in equilibrio

con esso”.




L’ENergia si conserva sempre, non si può né distruggere, né creare. L’EXergia si conserva solamente in un processo reversibile; tutti i processi reali però sono di tipo irreversibile, per cui alla fine di ogni processo è destinata a degradarsi.

In un sistema antropico l’ENergia in ingresso fluisce ed esce quantitativamente invariata, mentre l’EXergia si consuma all’interno del sistema arrivando, in alcuni sistemi, anche ad annullarsi.




L’Analisi EXergetica permette di analizzare le prestazioni di un sistema dal punto di vista di un utilizzo razionale delle risorse consumate.

L’Analisi EXergetica viene utilizzata per identificare i componenti in cui si sprecano le risorse energetiche del sistema, il tipo e l’entità di questo spreco, ed è quindi utile per sviluppare strategie per un miglior utilizzo delle risorse.

In sintesi serve a:

-quantificare come l’ENergia si degrada attraverso la evoluzione della distruzione della grandezza EXergia ;

-confrontare diversi processi attraverso un ulteriore indice chiamato efficienza EXergetica.

Questa analisi è applicabile sia per i singoli componenti che per il sistema globale




Il diagramma di flusso dell’EXergia nella trasformazione in esame identifica un generico processo come “black-box” nel quale confluiscono e si diramano i vari flussi EXergetici.

In ingresso abbiamo i flussi:•Risorsa (F) Mentre in uscita:•Prodotto utile (P)•Flusso EXergetico non utilizzato (L)•Irreversibilità (D).




Indicatore caratteristico:

•Efficienza EXergetica

F

I

F

P 1

risorsa exergia

utili prodotti dei exergiaηex



Principali novità significative alla metodologia

A. Uso della struttura di calcolo propria della Teoria del Costo

EXergetico per eseguire l’analisi ENergetica TTW

B. Uso della grandezza EXergia per la ripartizione dei carichi

ambientali.

Per i componenti che riversano verso l’esterno due o più prodotti

ENergetici come per esempio il caso di un sistema di cogenerazione,

lo studio ha proposto il calcolo del costo ambientale dei prodotti

ENergetici attraverso degli indici di attribuzione della CO2 in base ad

un fattore peso che tiene conto dell’EXergia



Fonti WTWEN

WTTEN : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di: EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/ Joint Research Center-European Commission/ Conservation of Clean Air and Water in Europe)

Attraverso un certo numero di percorsi il combustibile in esame può essere prodotto a partire da diverse fonti energetiche primarie.Ciascun percorso è composto da una serie di processi utili alla produzione del combustibile finito, reso disponibile alla tecnologia.Un percorso completo è perciò una combinazione e una successione di processi.

TTWEN : Calcolati attraverso la Teoria del Costo EXergetico modificata



Note sulla Teoria del Costo EXergetico

Allo scopo di formalizzare una procedura rigorosa per l’assegnazione

di un indice TTWEN ai flussi in uscita di un componente a più prodotti

è stata applicata con le opportune modificazioni La Teoria del Costo

EXergetico


La Teoria del Costo EXergetico rappresenta una procedura di

assegnazione dei costi dei flussi energetici del sistema nell’ambito

dell’Analisi Termoeconomica. L’Analisi Termoeconomica è una

disciplina che ha l’obiettivo di attribuire un costo ad ogni flusso di

sistema per valutare le prestazioni del sistema stesso



La Teoria del Costo Exergetico sviluppa il concetto di costo

exergetico di un flusso di exergia:

è la quantità di exergia che deve essere spesa nel sistema per

ottenere il determinato flusso di exergia considerato

Il costo exergetico unitario del flusso considerato rappresenta

il costo exergetico del flusso per unità di exergia del flusso

stesso

Note sulla Teoria del Costo EXergetico



EQUAZIONI DI BILANCIO

L’equazione di bilancio del flusso exergetico applicata ad un sistema con m componenti collegati tra di loro e con l’ambiente esterno da n flussi

0* A

IA

L’equazione di bilancio del costo exergetico per il sistema assume la forma

*Le equazioni ausiliarie di tipo lineare

0*A L’insieme delle equazioni fondamentali e di quelle ausiliarie

porta al sistema



Ragionando in termini di costo energetico la procedura di assegnazione dei costi exergetici è stata applicata sostituendo al concetto di costo exergetico il concetto di costo energetico per passare al costo energetico unitario che è stato interpretato come il parametro TTWEN

DETERMINAZIONE TTWENERGETICO CON SISTEMI MULTI-PRODOTTO

** u

ENu TTW*

costo energetico unitario


Fonti WTWAMB

WTTAMB : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di:

EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/

Joint Research Center-European Commission/ Conservation of

Clean Air and Water in Europe)

TTWAMB : fattori di emissione caratteristici degli impianti



Caso studio

Il Quartiere:

Superficie: 100.000 m2

Popolazione: 2.500 abitanti

Fabbisogni termici: 7000 MWh/y

Fabbisogni elettrici: 2000 MWh/y



Caso studio: Scenario base (1)

Il modello ed i suoi componenti

Componente 1:una caldaia a condensazione e due caldaie a gas;

Componente 2:chiller a compressione

Componente 3:co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento;

Componente 4:Moduli fotovoltaici

caldaia

cogeneratore

chiller

fotovoltaico

chiller




Descrizione dei flussi

Flussi in entrata:Gas Naturale:La conversione in flusso exergetico avviene utilizzando il suo potere calorifico inferiore (PCI)

Flussi in uscita:Flusso di Calore:L’exergia termica associata ad un flusso di calore è proporzionale al flusso secondo un fattore funzione della temperatura

Energia Elettrica:Il flusso di exergia è coincidente con il flusso di energia trattandosi di una energia di tipo elettrico-meccanico

ComponenteEXNGEXELE

EXCAL

ComponenteENNGENELE

ENCAL




Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti

Tabella 1: Scenario base

ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kW

ΨI,TOT=8484,2 kW

ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068

caldaia

chiller

cogeneratore

fotovoltaico

7722

100

2517

375

7722

100

2517

375

6178

476

9701168234

60

900

40

97021727

60

Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW)

chiller

caldaia

chiller

cogeneratore

fotovoltaico

chiller




Rendimenti energetici ed exergetici

Efficienza energetica

Efficienze exergetiche



ΨI,TOT=8484,2 kW


risorsa energia

prodotto ilcon uscitain energiaηen

risorsa exergia

utili prodotti dei exergiaηex

Componente ηen ηex

caldaia 0.80 0.12

chiller 4.76 0.37

cogeneratorechiller

0.85 0.48

Fotovoltaico 0.16 0.17







ΨI,TOT=8484,2 kW


7722

100

2517

375

7722

100

2517

375

6178

476

9701168234

60

900

40

97021727

60

Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW)

80.0EN

85.0EN

76.4EN

16.0EN

12.0EX

48.0EX

37.0EX

17.0EX

caldaia

chiller

cogeneratore

fotovoltaico

chiller

caldaia

chiller

cogeneratore

fotovoltaico

chiller




Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti



ΨI,TOT=8484,2 kW


caldaia cogeneratore fotovoltaicochiller

chiller






ΨI,TOT=8484,2 kW


Analisi WTWENERGETICA


BILANCIO ENERGETICO

Componenti TTW TTW WTT WTT WTW

MWh - MWhf MWhx/MWhf MWhx MWhPR

Energia elettrica importata Energia elettrica

importata 1051.00 1.00

Energia elettrica

importata 1051.00 1.87 1965.37 3016.37

BoilerEnergia termica prodotta (boiler) 2147.00 1.25

Natural Gas importato (boiler) 2683.75 0.0567 152.17 2835.92

Cogeneratore

Energia elettrica autoprodotta

(CHP) 4122.50 1.0612

Natural Gas importato

(CHP) 4374.80 0.0567 248.05 4622.85

Energia termica prodotta (CHP) 5958.50 1.0612

Natural Gas importato

(CHP) 6323.16 0.0567 358.52 6681.68

Energia elettrica esportata Energia elettrica

esportata -3275.50 1.00

Energia elettrica esportata -3275.50 1.87 -6125.19 -9400.69

PV Systems

Energia elettrica autoprodotta (ATC

PV Systems) 54.00

Energia elettrica autoprodotta (District PV

Systems) 104.00

7756.13

Fabbisogno finale di energia primaria





ΨI,TOT=8484,2 kW



WTW (MWhPR)

MWh






ΨI,TOT=8484,2 kW



MWh






ΨI,TOT=8484,2 kW


Analisi WTWAMBIENTALE


BILANCIO AMBIENTALE

Componenti WTT WTT TTW TTW WTW MWhf tCO2/MWhf tCO2 tCO2/MWh tCO2 tCO2

Energia elettrica

importata1051.00 0.435 457.06 0.00 0.00 457.06

Elettricità importata

Boiler

2683.75 0.010 27.34 0.202 542.12 569.46

Natural Gas (boiler)

Cogeneratore

4374.80 0.010 44.57 0.202 883.71 928.28

Natural Gas (CHP,ELE)

6323.16 0.010 64.42 0.202 1277.28 1341.70

Natural Gas (CHP,TH)

Energia elettrica esportata

-3275.50 0.435 -1424.45 0.000 0.00 -1424.45Elettricità esportata

PV Systems

-831.06 2703.10 1872.05Totale CO2

emessa





ΨI,TOT=8484,2 kW


Analisi WTWAMBIENTALE

t(CO2)/y

WTW [t(CO2)]




Considerazioni scenario base:

L’analisi dello scenario di riferimento (indicatore scelto,

rendimento exergetico) mette in evidenza le criticità del caso

base in termini di efficiente sfruttamento delle risorse primarie:

la maggiore criticità (maggiori irreversibilità) sono associate al

componente caldaia; si suggerisce la sostituzione del

componente costituito dalla caldaia con un nuovo componente

integrato costituito da cogeneratore + pompe di calore.

Si propone uno scenario alternativo



Caso studio: Scenario alternativo (1)

Il modello ed i componenti

Componente 1:Co-generatore;

Componente 2:Pompe di calore

Componente 3:chiller a compressione

Componente 4:co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento;

Componente 5:Moduli fotovoltaici

Elettricità

cogeneratore

cogeneratore

pompe dicalore

fotovoltaico

chiller

chiller







ΨI,TOT=8484,2 kW


Componente ΦF(kW) ΦP(kW) ψF(kW) ψP(kW)

cogeneratore 2517 1168970

2517 970217.2

pompe di calore

1138 5014 1.1380 356.9

chiller 100 476 100 367

cogeneratorechiller

2517 9701168234

2517 970217.227.4

fotovoltaico 375.5 59.6 356.5 59.6




Efficienze energetiche ed exergetiche



ΨI,TOT=8484,2 kW


Componente ηen ηex

cogeneratore 0.85 0.47

pompe di calore

0.87 0.31

chiller 4.76 0.37

cogeneratorechiller

0.85 0.48

fotovoltaico 0.16 0.17




Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti



ΨI,TOT=8484,2 kW


cogeneratore cogeneratorepompe dicalore

fotovoltaicochiller

chiller






ΨI,TOT=8484,2 kW



WTW (MWhPR)

MWh






ΨI,TOT=8484,2 kW


Analisi WTWENERGETICAMWh






ΨI,TOT=8484,2 kW


Analisi WTWAMBIENTALEt(CO2)/y

WTW [t(CO2)]



Cavour, 6 Marzo 2009

Confronto scenari



ΨI,TOT=8484,2 kW


Fabbisogno finale energia primaria

Totale CO2 emessa

Rendimento eXergetico totale


Conclusioni e obiettivi dello studio (1)



ΨI,TOT=8484,2 kW


•Il lavoro mira a fornire indicazioni di tutela ambientale e indirizzi per il

governo del territorio tramite suggerimento di interventi nei processi di

produzione e gestione sostenibile dell’energia

•La scelta del sistema oggetto di studio, la città, appare la più

appropriata in quanto centro utile alla ricerca e alla applicazione di

soluzioni atte a ridurre il nostro impatto ambientale e diminuire le

emissioni da gas serra

•Lo studio si propone di evidenziare i punti di forza e di debolezza di

sistemi energetici urbani di grandi dimensioni al fine di identificare le

necessità, i rischi e le opportunità per il futuro degli stessi



Conclusioni e obiettivi dello studio (2)



ΨI,TOT=8484,2 kW


In conclusione questo lavoro ha raggiunto gli obiettivi prefissati :

•Sono state analizzate le principali caratteristiche dei sistemi energetici

urbani

•E’ stata approfondita una metodologia per lo studio dei suddetti sistemi

•E’ stato sviluppato un caso studio che ha una caratteristica di

replicabilità fondamentale per applicazioni reali dei metodi a realtà

metropolitane più o meno estese e complesse; tale lavoro richiede una

fase necessaria di acquisizione dei dati energetici e tecnologici, e una

fase di elaborazione dei dati e di analisi dei risultati


dipartimento di energetica (politecnico di torino) – fondazione telios torino, 25 settembre 2009...

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