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11 febbraio 2014 riccagioia unimi 11 febbraio 2014 riccagioia unimi Presentation Transcript

  • Prof. Riccardo Guidetti, dott. Roberto Beghi, dott.ssa Valentina Giovenzana Gestione e sostenibilità in cantina: consumi idrici ed energetici riccardo.guidetti@unimi.it roberto.beghi@unimi.it valentina.giovenzana@unimi.it Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Indice • • • Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità L’impiego dell’energia solare –applicazioni La pompa di calore –applicazioni
  • Indice • • • Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità L’impiego dell’energia solare –applicazioni La pompa di calore –applicazioni View slide
  • Sviluppo Sostenibile: una definizione sviluppo capace di soddisfare i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri (WCED, 1987) Il rapporto Brundtland (conosciuto anche come Our Common Future) è un documento rilasciato nel 1987 dalla Commissione mondiale sull’ambiente e lo sviluppo (WCED) in cui, per la prima volta, viene introdotto il concetto di sviluppo sostenibile. Il nome viene dato dalla coordinatrice Gro Haarlem Brundtland che in quell'anno era presidente del WCED ed aveva commissionato il rapporto. La definizione, come si può vedere, non parla propriamente dell'ambiente in quanto tale, quanto più ci si riferisce al benessere delle persone, e quindi anche la qualità ambientale; mette in luce quindi un principale principio etico: la responsabilità da parte delle generazioni d'oggi nei confronti delle generazioni future, toccando quindi almeno due aspetti dell'ecosostenibilità: ovvero il mantenimento delle risorse e dell'equilibrio ambientale del nostro pianeta. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 View slide
  • Sostenibilità Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Sostenibilità Sostenibilità economica: intesa come capacità di generare reddito e lavoro per il sostentamento della popolazione. Sostenibilità sociale: intesa come capacità di garantire condizioni di benessere umano (sicurezza, salute, istruzione) equamente distribuite per classi e genere. Sostenibilità ambientale: intesa come capacità di mantenere qualità e riproducibilità delle risorse naturali (velocità di produzione adeguata; no effetto accumulo!) Sostenibilità istituzionale: intesa come capacità di assicurare condizioni di stabilità, democrazia, partecipazione, giustizia. L'area risultante dall'intersezione delle quattro componenti, coincide idealmente con lo sviluppo sostenibile. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Il processo enologico…. • Anello ad alto valore aggiunto della filiera vitivinicola; • Declinato secondo modalità diverse e diversamente complesse; • Sede di fasi attive e importanti per rispettare un prodotto risultato di una tecnica ed una cultura centenaria; • Sede di processi energivori (energia elettrica e termica); • Sede di produzioni di rifiuti. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • R. solidi R. liquidi R. aerifor. La Cantina: una visione di sistema UVA Bott., Tappi, SO2, ecc. CANTINA Energia Personale Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 VINO
  • La Cantina: una visione di sistema La gestione di un sistema complesso (diversi input ed output) richiede uno sforzo maggiore per mantenere un elevato livello di sostenibilità Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Dipartimento di Scienze Agrarie Area INGEGNERIA Area INGEGNERIA e Ambientali Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Lo sviluppo sostenibile in Cantina: alcuni contributi Il controllo dell’energia e dell’acqua come parametri riconducibili alla sostenibilità ambientale L’automazione come supporto alla sostenibilità sociale e ambientale Sostenibilità economica Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Perché risparmiare energia? Dipendenza energetica estera e conseguente vulnerabilità a seguito delle continue oscillazioni di prezzo sempre molto alte che portano ad una riduzione di competitività industriale sul mercato globale •Forte produzione di energia elettrica da combustibili fossili che si riflette negativamente su emissioni di inquinanti kg di CO2 emessa = energia elettrica consumata kWh * 0.485 kgCO2/kWh I problemi ambientali causati dalle emissioni eccessive di gas serra avvenuti all’incirca negli ultimi trent’anni hanno causato gravi danni a ecosistemi, alla salute umana nonchè costi rilevanti per certi settori maggiormente sensibili a condizioni climatiche è per questi motivi che anche le cantine italiane sia piccole sia grandi devono risparmiare energia! Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • le BAT Un’analisi dell’efficienza energetica il piu’ possibile completa deve tenere conto di un insieme di dati, analizzati e rielaborati, confrontati con valori di riferimento continuamente aggiornati. BAT Best Available Techniques Ispirati alle richieste della direttiva europea 96/61/EC del 24 settembre 1996 in ambito di controllo e prevenzione integrata dell’inquinamento “IPPC Directive” (Integrated Pollution Prevention and Control) aggiornata dalla direttiva europea 2008/01/EC del 15 gennaio 2008. In particolare le BAT del settore alimentare: FOOD, DRINK AND MILK INDUSTRIES Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • L’energia come parametro della sostenibilità L’energia è alla base del concetto di sostenibilità e ne riassume in pieno la definizione: - Sostenibilità ambientale: in quanto la sua produzione impatta sull’ambiente; - Sostenibilità sociale: l’energia è ormai una leva di controllo delle popolazioni che vi dipendono sempre di più; - Sostenibilità economica: i costi dell’energia sono alla base dei mercati mondiali; - Sostenibilità istituzionale: ormai ogni nazione deve programmare le proprie risorse energetiche con politiche adeguate ed appropriate. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • …Il settore enologico: qualche dato L’elettricità … Considerando una produzione annua pari a 50 milioni di Hl ed un consumo complessivo pari a circa 70 kWh/Hl, si arriva a stimare un consumo di energia elettrica per tutto il comparto pari a 0,42 tep (1 tep = 107 kcal). Si consideri che tutto il settore agroalimentare ha una richiesta annua pari a circa 3700 ktep e che il settore vino produce un fatturato che è circa il 7÷7,5 % rispetto a tutto il comparto (dati ISMEA) …e l’acqua Se si considera un dato medio pari a 10 LH2O /Lvino si ha un consumo idrico di settore pari a circa 5000 milioni di litri di acqua. Il consumo medio europeo è pari a 180 L/persona, pertanto tutto il settore enologico consuma l’acqua necessaria per una media città italiana (circa l’equivalente di 75.000 persone). Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • I progetti di analisi di processo: •Il progetto A-POWER ed il progetto CHANGE: progetti finalizzati ad identificare i consumi energetici delle principali filiere agroalimentari. •Enti promotori: Camera di Commercio di Milano, Comunità Europea Il progetto S.T.E.P. (Sustainable Technology for Economic Processing): progetti finalizzati ad identificare i consumi idrici delle principali filiere agroalimentari. Enti promotori: Comunità Europea Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dove si utilizza l’energia elettrica nell’industria agroalimentare? In generale: Sistemi di refrigerazione 60% Energia Elettrica Funzionamento impianti 40% Nel settore enologico: Sistemi di refrigerazione 90% Energia Elettrica Funzionamento impianti 10% Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Come razionalizzare i consumi: il controllo • Individuare i costi energetici delle singole fasi produttive • Valutare possibilità di risparmio e di recupero energetico Panoramica del contesto aziendale grazie alla disponibilità degli operatori Misure e stime dei consumi (energia, potenza, tempo) Diagramma di flusso Identificazione e quantificazione degli ingressi di energia Identificazione e quantificazione dell’ energia in uscita Elaborazione dei risultati dei dati raccolti e valutazione dello stato energetico dell’azienda Proposte concrete e realizzabili per un risparmio energetico Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Strumenti disponibili 18 ANALISI SPERIMENTALE EFFETTIVO IMPIEGO DEL COMPRESSORE DI UN FRIGORIFERO 16 h/giorno 1) valutazione dei tempi 14 12 10 8 consumo energetico elettrico kWh ag os to se tte m br e ot to br e no ve m br e di ce m br e lu g lio ap ril e m ag gi o gi ug no (Uboldi) 50000 m ar zo g en n ai o fe bb ra io 6 kWh 40000 30000 20000 10000 G en na F e io bb ra io M ar zo Ap r il e M ag gi G o iu gn o Lu gl io Ag Se ost tte o m br O e tto b N o v re em Di b r e ce m br e 0 ANALISI TEORICO SPERIMENTALE 2) valutazione dei consumi energetici 3) Livelli di potenza 120 livello di potenza kW (Uboldi) 100 80 60 40 20 Valutazione dei dati di targa e stima dei tempi di funzionamento Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA 0 Riccagioia, 11 febbraio 2014 kW
  • Risultati: l’analisi • Flow sheet di processo con i dati energetici (impianti di processo) • Flussi energetici (processo e servizio) • Disequilibri energetici (punti critici) • Suddivisione dei consumi tra i reparti • Contabilizzazione del “valore energetico” del prodotto. Elemento di controllo: la bolletta energetica ed idrica Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Risultati: le proposte Recupero flussi di calore: integrare le attrezzature Uso più razionale delle macchine di processo e di servizio (studio delle curve di carico, impiego di tecnologie più adeguate, ecc.) Rispetto ed ottimizzazione dei contratti Interventi sugli impianti (tecnologie sostenibili) e sulla struttura (contenimento termico) Introdurre un Referente per l’energia (Energy Manager) Recupero sostenibile degli scarti: gestione dei rifiuti Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Risultati: I consumi elettrici La modellazione del processo 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 900 39% 800 700 Potenza (kW) Po ten za max kW L’analisi delle potenze 600 500 Potenza media (kW) 70% 400 300 200 Potenza vendemmia (kW) 40% 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 A me si Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 B C
  • Risultati: I consumi elettrici I valori medi risultati dall’analisi Per la produzione di un litro di vino servono circa 0,72 kWh/L Suggerimenti: -Uso di sistemi frigoriferi con componenti ad alta efficienza; -Uso di sistemi di regolazione per la gestione dell’impianto frigorifero (inverter); -Uso di sistemi di filtrazione a basso consumo energetico; -Reimpiego delle biomasse (introduzione dei sistemi ad assorbimento); Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Risultati: I consumi idrici Le fasi di lavaggio VOLUME CICLI (n) QUANTITA’ STIMATA (m3) CONSUMO ANNO (m3) % - 1 800 800 22,7 Vasche 1200 (l/uso) 3 - 980 27,8 Barriques 225 (l/uso) 2 - 324 9,2 Vasche (pre-tiraggio) 1000 (l/uso) 3 - 360 10,2 12 1055,25 1055,25 30 3518,25 100 FASI DI LAVAGGIO Cassette Pompe e Tubi TOTALE Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Risultati: I consumi idrici I consumi idrici delle realtà oggetto di studio sono conformi al valore riportato dalle BAT: servono circa 10 L (5÷15 L) di acqua per produrre un litro di vino in cantina (cantine piccole tendono a consumare meno acqua rispetto alle grandi) Il 50 % dei consumi sono imputabili al lavaggio dei vasi vinari; Il 20 % è dovuto al lavaggio delle cassette; L’80% dei consumi idrici è previsto nel semestre marzo/ottobre. Suggerimenti: -Uso di sistemi di sanificazione a basso consumo idrico; -Uso di sistemi di regolazione idrica (chiusura automatica getti, ecc.) -Aumento della consapevolezza del consumo idrico; -Migliore gestione dell’acqua di ricircolo. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • L’automazione….. Amber e Amber ne "Il progresso dell'automazione" (1962), hanno definito l'automazione come la tecnologia necessaria per realizzare macchine in grado di sostituire uno o più attributi dell'uomo nell'effettuare un lavoro. A seconda dell'attributo sostituito, abbiamo così nove differenti livelli di automazione: 0 Attributo sostituito Nessuno 1 Energia 2 Destrezza 3 Diligenza 4 Giudizio 5 Valutazione 6 7 8 9 Apprendimento Ragionamento Creatività Dominio Ordine Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Esempio Utensili manuali Utensili motorizzati a controllo manuale (trapano hobby) Automazioni a ciclo singolo (pressa) Automazione a ciclo ripetuto (macchine transfer) Controllo a ciclo chiuso (controllo livello) Capacità di ottimizzazione del ciclo (macchine con logiche adattive) Limitate capacità di auto-programmazione Capacità di ragionamento induttivo Capacità di creare manufatti originali (macchine-uomo!?!?) Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Il controllo automatico dei consumi elettrici Acquisto sistema: 7.000 € (16 punti controllati) Installazione 3.000 € Riduzione picchi: (35 %) Riduzione consumi: Pay Back: Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 6.875 € 800 € 1,3 anni
  • Il controllo della temperatura… Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • La gestione automatica in pressatura Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • La gestione delle basse pressioni per ottimizzare l’estrazione Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • ……ed estrarre sottovuoto Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • L’automazione ha permesso di inertizzare e raffreddare direttamente in pressa Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Il controllo automatico ha portato a sviluppare presse continue ed ad azione “delicata” Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • L’ultima novità: Il vecchio torchio si rinnova Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Tecnologie speciali per l’estrazione Processo di disgregazione cellulare Trattamento del pigiato diraspato con gas inerte (CO2 o N2) a 10-18 bar per 15-25 s Decompressione istantanea con espansione del gas disciolto che lacera le membrane cellulari Fuoriuscita della fase liquida della polpa senza lacerazione delle bucce Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 Da F. Pezzi
  • Tecnologie speciali per l’estrazione Trattamento con azoto liquido Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Una nuova proposta di macerazione pneumocarbonica Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • La termovinificazione: un esempio di controllo avanzato Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • La termovinificazione: un esempio di controllo avanzato Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Il controllo permette di limitare i coadivanti della filtrazione Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Il controllo permette di limitare i coadivanti della filtrazione anche tramite sistemi basati sulla centrifuga Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dealcolazione in colonna a coni rotativi •Recupero degli aromi del vino •Produzione di distillati di alta qualità •Desolforazioni di mosti •Eliminazioni di odori sgradevoli (mercaptani, aldeidi, acetato d’etile, ac. volatili) •Concentrazione del vino per eliminazione d’acqua Prodotti sino al 45% di solidi sospesi Da F. Pezzi Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Indice • Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità • L’impiego dell’energia solare –applicazioni • La pompa di calore –applicazioni Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA
  • L’energia solare è importante? 70 W/m2 assorbiti dall’atmosfera 80 W/m2 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA riflessi e assorbiti dalle nuvole Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • 2 irraggiamento orizzontale (W/m ) Quanta energia disponibile? 250 200 150 142 W/m2 valore medio 100 Bergamo 142 W/m2 Monte Rosa 175 W/m2 50 Lampedusa 210 W/m2 0 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Lug Ago Set Ott Nov Dic Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Quanta energia disponibile ? Es: Bergamo = 142 W/m2 o (J/s)/m2 (Energia al secondo per m2) Energia annuale per m2 = 142 W x secondi/anno (60*60*24*365) = 4,5 109 J/m2 (4,7 107 J/m2 = 1kg di petrolio) = 107 kg petrolio/m2 Fabbisogno energetico in Italia (agricoltura, industria, trasporti, servizi, residenziale) Energia pro capite = 3,15 tep /anno 3150 kg petrolio <30 m2 di superficie irraggiata 107 kg petrolio/m2 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Quanta energia disponibile ? L’intero fabbisogno energetico nazionale corrisponde all’energia solare incidente su un’area di 36 km x 36 km Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • La conversione dell’energia solare in energia elettrica mediante pannelli fotovoltaici in calore mediante pannelli collettori Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • I pannelli fotovoltaici producono elettricità • La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica attraverso l’effetto fotovoltaico, ossia la proprietà di alcuni materiali semiconduttori di generare elettricità se colpiti da radiazione luminosa. • Il silicio, elemento molto diffuso in natura, è il materiale base per la cella fotovoltaica. • La cella fotovoltaica è il dispositivo elementare in grado di produrre circa 1,5 Watt in corrente continua, normalmente insufficiente per gli usi comuni. Più celle sono collegate elettricamente e incapsulate in una struttura a formare il modulo. • Il modulo è la componente base commercialmente disponibile. Più moduli, collegati in serie e in parallelo, formano le sezioni di un impianto, la cui potenza può arrivare a migliaia di kW. • A valle dei moduli fotovoltaici è posto l’inverter, che trasforma la corrente continua generata dalle celle in corrente alternata, direttamente utilizzabile sul posto o riversabile in rete. Fonte; GSE Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • I pannelli fotovoltaici producono elettricità • due sottili strati di semiconduttore (es. silicio) opportunamente trattati formano un polo positivo e negativo • la radiazione solare incide sulla cella e libera gli elettroni all’interno • gli elettroni attratti dalla faccia positiva scorrono nel circuito esterno generando elettricità Radiazione solare Fotoni Corrente di elettroni Energia elettrica n-Si Lacune p-Si Corrente di ritorno Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Polo positivo Polo negativo Elettroni liberati Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Diversi tipi di pannelli fotovoltaici Rendimenti massimi ottenuti in prototipi di laboratorio 12% Si-amorfo Si-amorfo rendimento 6 % 18% CIGS 20% Si-policristallino 25% Si-monocristallino CIGS rendimento 10% Sistemi commerciali 26% InGaAs 39% Multigiunzione Si-policristallino rendimento 12% Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 Si-monocristallino rendimento 18%
  • Diversi tipi di pannelli fotovoltaici • investimento necessario: 4000-6000 €/kW ; durata: 25 anni • produzione di Energia Elettrica accumulabile mediante batterie o riversabile in rete Si-amorfo rendimento 6 % • integrazione/sostituzione fornitura elettricità CIGS rendimento 10% • forme di incentivazione a supporto dell’investimento (ITALIA: “conto energia”) • tempi di ritorno dell’investimento: 10-12 anni circa Si-policristallino rendimento 12% Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 Si-monocristallino rendimento 18%
  • Applicazioni in agricoltura Elettrificazione di unità isolate (es. alpeggi) Aziende a emissioni zero Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Istituto di Ingegneria Agraria - Milano Vantaggi e possibilita’ di impiego VANTAGGI 1) assenza di parti meccaniche in movimento (ridotta manutenzione, vita utile prolungata) 2) fonte energetica gratuita, inesauribile e disponibile quasi ovunque 3) estrema semplicità costruttiva (facilità di installazione e di impiego) 4) assenza di qualsiasi forma di inquinamento (chimico, termico, acustico, radioattivo) 5) bilancio energetico terrestre inalterato MASSIMO IRRAGGIAMENTO SOLARE CAMPO FV IMPIANTO FOTOVOLTAICO ORIENTATO VERSO SUD, con INCLINAZIONE DI CIRCA 30° ° SULL’ORIZZONTALE TETTO FV ORIENTAMENTO VERSO EST O OVEST: -10% INCLINAZIONE VERTICALE (facciate fotovoltaiche) ORIENTAMENTO A SUD: –30% ORIENTAMENTO A EST O OVEST: -45% Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Sovraccarico: 15 kg/m2 Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Istituto di Ingegneria Agraria - Milano Fv integrato negli edifici TETTO FV POTENZIALITA’ TEORICA FV IN ITALIA TETTI : 370.000.000 m2 (orientati verso Sud, Est o Ovest) FACCIATE: 200.000.000 m2 (orientati verso Sud, Est o Ovest) FACCIATA FV Sulla base di un consumo annuo di energia elettrica per famiglia di 3500-4000 kWh/anno FABBISOGNI SODDISFATTI PER 30 milioni di famiglie! Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Un po’ di storia recente…la diffusione Il fotovoltaico in Italia ha raggiunto 2800 MW di potenza installata a fine 2010. Ma solo 6 mesi dopo sono stati raggiunti i 7000 MW! (giugno 2011) Tipologie di impianti FV in esercizio [Fonte: GSE, dati al 30.09.2010] Classe 1 (1-3 kW) Classe 2 (3-20 kW) Classe 3 (>20 kW) Totale Incremento % del numero di impianti 2008-2010 + 170% + 241% + 114% + 198% Incremento % della potenza installata 2008-2010 + 180% + 220% + 275% + 251% Incremento % del n°di impianti e della potenza installata nel periodo 2008-2010 in Italia Tipologie impianti in esercizio. Numero di impianti Tipologie impianti in esercizio. Potenza installata (MW) 6% 33% 30% 38% Integrati 61% Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Integrati Parzialmente integrati Non Integrati Parzialmente integrati Non Integrati 32% Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Un po’ di storia recente…la diffusione Diffusione impianti e potenza installata a fine 2012. (Fonte: GSE, maggio 2013) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Un po’ di storia recente…la diffusione Nel 2012 la produzione degli impianti fotovoltaici in Italia ha raggiunto 18.862 GWh con un incremento del 75% rispetto all’anno precedente. In soli sei anni, la produzione è aumentata di circa 485 volte. Oggi, tra le fonti rinnovabili, la fonte solare è seconda solamente alla fonte idraulica. Fonte; GSE Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Un po’ di storia recente…la diffusione Distribuzione regionale degli impianti a fine 2012. (Fonte: GSE, maggio 2013) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Un po’ di storia recente…gli incentivi Il IV Conto Energia (entrata in vigore 1 giugno 2011) Tariffe 2012. Riduzione tariffe rispetto al 2011 Il quarto conto energia approvato aveva rivisto le tariffe incentivanti, abbassandole, ma mantenendole elevate per i piccoli impianti. Tariffa incentivante riconosciuta per 20 anni. Tariffe 2013. E’ stata introdotta una tariffa onnicomprensiva e una tariffa “premio” per l’autoconsumo dell’energia prodotta con FV Riduzione prevista degli incentivi nel periodo 2013-2016 ma poi… Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Un po’ di storia recente…gli incentivi Il V Conto Energia (entrato in vigore il 27 agosto 2012… ma estinto il 6 luglio 2013) …“Il Quinto Conto Energia cessa di applicarsi decorsi 30 giorni solari dalla data di raggiungimento di un costo indicativo cumulato degli incentivi di 6,7 miliardi di euro l’anno”… Limite raggiunto il 6 giugno 2013. Tariffe 2013. E’ stata introdotta una tariffa onnicomprensiva e una tariffa “premio” per l’autoconsumo dell’energia prodotta con FV Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Fine incentivi per il fotovoltaico! Riduzione prevista degli incentivi nel periodo 2013-2016 Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • …e ora… Conviene ancora? • Costo dell’impianto: il costo si è ridotto notevolmente (70% in meno negli ultimi due anni; oggi un impianto costa 1/6 rispetto al 2005) • Detrazioni fiscali: non ci sono più incentivi sull’energia prodotta ma detrazione fiscale del 50% sui costi d’acquisto e installazione. • Efficienza: l’efficienza dei moduli è aumentata negli anni, oggi con mini-inverter a servizio di singole zone dell’impianto l’efficienza può aumentare ancora di più. • L’industria del FV è ormai abbastanza robusta e matura da non aver più bisogno di fare affidamento su sussidi governativi per sopravvivere …sì conviene! Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Applicazione_ obiettivo Risparmio energetico azienda vitivinicola Risparmio economico Riduzione inquinamento atmosferico Valore aggiunto al prodotto ANALISI ENERGETICA Strumento che permette di individuare i punti critici energetici lungo la filiera produttiva aziendale Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Applicazione_ analisi aziendale Ku n° motori P. assorbita (kW) Ore/ giorno Giorni/ mese kWh/ mese % 13 0,8 4 41,6 10 30 12480 65 26,9 0,8 1 21,5 4 24 2064 10,8 Pompa travasi 5 0,7 2 7 4 24 672 3,5 Pompa lavaggi 3 0,7 1 2,1 3 20 126 0,7 Pigiadiraspatrice 10,5 0,8 1 8,4 4 24 806,4 4,2 Presse 6 0,7 2 8,4 6 24 1209,6 6,4 Agitatore 1 1 1 1 2 24 48 0,2 5 0,15 3 30 67,5 0,4 8 7 30 1680 8,8 19202 100 P. (kW) Utenza Impianto frigorifero Scambiatore di calore Illuminazione esterna Climatizzatore 1 1 8 Consumo calcolato energia elettrica Consumi utenze elettriche – settembre 2008 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Applicazione_ analisi documentale SCHEMA RIASSUNTIVO DATI AZIENDALI Consumi annuali Emissioni Bottiglie prodotte/anno Consumo specifico Emissioni CO2 specifiche 183903 kWh 74,11 t CO2 annuali 320000 0,57 kWh/bottiglia 0,23 kg CO2/bottiglia Valore aziendale calcolato Valore di riferimento Consumo specifico (kWh/bottiglia) 0,57 0,39-0,67 Indice di emissione specifico (kg CO2/bottiglia) 0,23 0,18-0,32 VALORI DI CONSUMO ED EMISSIONI SPECIFICHE NELLA NORMA Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Applicazione_ Installazione impianto fotovoltaico parzialmente integrato su tetto a falda Copertura totale fabbisogno energetico annuo aziendale Abbattimento del 100% (74 t) delle emissioni di CO2 da elettricità Beneficio netto annuo (BNA) di quasi € 50000 Pay back period (PBP) poco meno di 10 anni Incentivi statali: remunerazione dell’energia prodotta e consumata in loco (Conto Energia) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Applicazione: Esempio di realizzazione in vigneto Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Solare termico: i collettori solari producono calore •la radiazione solare riscalda una lastra metallica di assorbimento •il calore viene asportato dal fluido che scorre nel circuito riscaldandosi copertura trasparente uscita fluido telaio ingresso fluido circuito di riscaldamento lastra assorbimento Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA isolante termico Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • I collettori ad acqua Accumulo • investimento: 800-1.000 €/m2 ; durata: 20 anni • produzione di Energia Termica (acqua calda) accumulabile per alcuni giorni • integrazione con caldaie a combustione/boiler elettrici che intervengono solo quando necessario Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Riccagioia, • Area INGEGNERIA ritorno dell’investimento: 3-411 febbraio 2014 tempi di anni circa
  • Presente e futuro della tecnologia Robur 280 °C Olio diatermico Eventuale integrazione Caldaia metano Min 200 °C Acqua refrigerata 7 - 12 °C Max 240 °C Campo solare ~ 50 m^2 per HP Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Accumulatore di calore Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Indice • • • Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità L’impiego dell’energia solare –applicazioni La pompa di calore –applicazioni
  • Cos’e’ la pompa di calore? La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un fluido a temperatura più bassa (SORGENTE FREDDA) a un altro a temperatura più alta (SORGENTE CALDA) SORGENTE CALDA SORGENTE FREDDA POMPA IDRAULICA TRASFERIMENTO DI CALORE Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Fluidi puri: Da cosa è composta la pompa di calore? R170 etano Fluido refrigerante o frigorigeno R290 propano R600 butano R500 miscele azeotropiche R400 miscele zeotropiche Altri: R744 anidride carbonica R717 ammoniaca Banditi: due scambiatori di calore CFC, HCFC una valvola di espansione, regolatrice o laminatrice un compressore Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Concetti base CALORE SPECIFICO: è la quantità di energia richiesta per aumentare di 1°C un’ unità di massa. CALORE SENSIBILE: calore necessario per passare da una temperatura a un’altra. Q = Cs⋅m⋅∆T dove: Q = calore (kcal); m = peso della sostanza (kg); Cs = calore specifico (kcal/kg⋅°C); ∆T = variazione di temperatura (°C). CALORE LATENTE: calore necessario perché avvenga il passaggio di stato. Nei calcoli termodinamici per calcolare la quantità di calore da trasmettere, se presente anche il calore latente, è: Q = Cs⋅ m⋅∆T + mr dove “r “ rappresenta il calore latente (kcal/kg) ENTALPIA: è la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente (kcal/kg). ∆H = Cs⋅ ∆T Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • T (°C) Per capire la quantità di calore che viene trasferita… F 120 D 100 B 0 - 20 ↔ 0 10 0,5 ⋅ ∆T(20) = 10 Area INGEGNERIA ∆H = Cs ⋅ ∆T C ↔ 90 190 1 ⋅ ∆T(100) = 100 Cs ghiaccio = 0,5 kcal/kg ⋅ °C Cs acqua = 1 kcal/kg ⋅ °C Cs vapore = 0,48 kcal/kg ⋅ °C Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali E ESEMPIO: ACQUA a pressione atmosferica ↔ ENTALPIA 730 739.6 (kcal/kg) 0,48 ⋅ ∆T (20) = 9,6 r di fusione = 80 kcal/kg r di evaporazione = 540 kcal/kg Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Parametri da valutare nella scelta di un fluido CLORURO ANIDRIDE ACQUA AMMONIACA Refrigerante frigorigeno DI ETILE CARBONICA Temperatura di congelamento a 1 atm (°C) ° 0 -138,4 -77,9 -56,6 Temperatura di ebollizione a 1 atm (°C) ° 100 12,5 -33,3 -78,5 Volume specifico a -10°C (m3/kg) ° 451,4 0,840 0,418 0,0142 Calore latente di vaporizzazione a 1 atm (kcal/kg) 540 93,60 326,6 136,5 Tossicità nulla debole grande debole Infiammabilità nulla buona (**) nulla Modificando Andamento della temperatura dell’acqua al variare della pressione P (atm) la pressione dei fluidi frigorigeni è possibile ottenere i passaggi di stato a temperature diverse vapore 1 acqua T (°C) e diversi calori latenti Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 100
  • Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno Un fluido frigorigeno, quando transita attraverso le diverse componenti di un impianto di refrigerazione, modifica la propria pressione (P) ed entalpia (H) PRESSIONE (kPa) Ciascun fluido è caratterizzato da un proprio diagramma pressione–entalpia che ne illustra le proprietà termodinamiche P2 P1 D E A TA B H1 C TC TB H2 ENTALPIA (kcal/kg) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 H3
  • Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno_esempio Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno Il trasferimento di calore avviene mediante i fluidi refrigeranti i quali, durante il processo di trasferimento di calore subiscono cambiamenti di stato, da liquido a vapore e viceversa. Miscela liquido/vapore Punto critico PRESSIONE (kPa) Curva liquido saturo P2 Curva vapore saturo secco D E A TA P1 B C TC TB ENTALPIA (kcal/kg) H1 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA H2 Riccagioia, 11 febbraio 2014 H3
  • PRESSIONE (kPa) Come funziona una pompa di calore? P2 CONDENSAZIONE A TD TA ESPANSIONE COMPRESSIONE P1 B EVAPORAZIONE C TC TB H1 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA D E H2 ENTALPIA (kcal/kg) Riccagioia, 11 febbraio 2014 H3
  • Il compressore 1. La compressione viene ritenuta adiabatica cioè senza scambio di calore con l’esterno (trasformazione isoentropica) 2. Il vapore inizialmente saturo secco, risulta alla fine surriscaldato 3. L’aumento di entalpia subito dal frigorigeno passando dal punto C a D rappresenta il lavoro di compressione ed è espresso da: L = (H3 – H2) PRESSIONE (kPa) dove: H3 = entalpia del refrigerante alla fine della compressione (kcal/kg di refrigerante) H2 = entalpia del refrigerante prima della compressione (kcal/kg di refrigerante) L = lavoro di compressione nell’unità di tempo o POTENZA DEL COMPRESSORE (kcal/kg) P2 P1 E A D TA BT C TC B H1 TD H2 H3 ENTALPIA (kcal/kg) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 compressore
  • Il condensatore condensatore PRESSIONE (kPa) 1. Il condensatore permette uno scambio di calore tra il fluido refrigerante e il “fluido raffreddante” (o da riscaldare; la cui temperatura T deve essere inferiore a TD ) 2. Il vapore proveniente dal compressore viene dapprima desurriscaldato al punto E 3. Viene rimosso il calore latente di condensazione da E ad A a T e pressione (P) costanti 4. Il calore che viene scambiato è dato da: Qcond = (H3 – H1) dove: H3 = entalpia del refrigerante alla fine della compressione (kcal/kg di refrigerante) H1 = entalpia del refrigerante all’uscita della condensazione (kcal/kg di refrigerante) Qcond = calore assorbito dal refrigerante sia durante la compressione che durante la condensazione (kcal/kg) P2 P1 D E A TD TA CT BTB C H2 H1 ENTALPIA (kcal/kg) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 H3
  • La valvola di espansione valvola di espansione PRESSIONE (kPa) 1. La valvola permette di ridurre la P del refrigerante (simile ad un’evaporazione flash) e di ridurne T ad una inferiore a quella del “fluido riscaldante” (o da raffreddare; la cui temperatura T deve essere superiore a TB ) 2. Il fluido perde calore sensibile (abbassamento della T) in seguito alla sottrazione di calore latente utilizzato da una parte del refrigerante liquido per evaporare; infatti al punto B si ha una miscela liquido/vapore 3. Il passaggio dalla TA alla TB avviene a entalpia costante in quanto il calore perduto come calore sensibile si trova sotto forma di calore latente nel vapore sviluppato P2 P1 TD TA C BT TC B H1 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA D E A H2 ENTALPIA (kcal/kg) Riccagioia, 11 febbraio 2014 H3
  • L’evaporatore PRESSIONE (kPa) 1. L’evaporatore permette uno scambio di calore tra il fluido refrigerante e il “fluido riscaldante” (o da raffreddare; la cui temperatura T deve essere superiore a TB ) 2. Il fluido frigorigeno a bassa P e T passa da una condizione di liquido con una piccola parte di vapore (punto B) ad uno stato dove è completamente vapore (vapore secco) assorbendo calore dal fluido riscaldante 3. La quantità di calore assorbita dal refrigerante durante il passaggio nell’evaporatore è: Qev = (H2 – H1) dove: H2 = entalpia del refrigerante all’uscita dell’evaporazione (kcal/kg di refrigerante) H1 = entalpia del refrigerante all’entrata dell’evaporatore (kcal/kg di refrigerante) Qev = calore assorbito dal refrigerante durante l’evaporazione (kcal/kg) P2 P1 D E A TD TA BTB CT C H2 H1 H3 ENTALPIA (kcal/kg) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014 evaporatore
  • Differenza tra impianto frigorifero e pompa di calore Impianto frigorifero Pompa di calore Lo scopo del ciclo è la sottrazione di calore dal corpo, dal fluido o dall’ambiente da raffreddare. L’effetto desiderato quindi è produrre maggior Qev Lo scopo del ciclo è il trasferimento di calore dal corpo, dal fluido o dall’ambiente da riscaldare. L’effetto desiderato quindi è produrre maggior Qcond Effetto utile o coefficiente di effetto frigorifero o efficienza frigorifera: ε = Qev/L >1 Dove: Qev = calore sottratto dall’impianto frigorifero L = lavoro compiuto dall’impianto frigorifero per sottrarre calore al corpo, fluido o ambiente destinato a essere raffreddato Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Coefficiente di prestazione della pompa di calore: COP = Qcond/L = ε + 1 Dove: Qcond = calore fornito dalla pompa di calore L = lavoro compiuto dalla pompa di calore per produrre il calore destinato a riscaldare Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Il COP della pompa di calore PRESSIONE (kPa) ε P2 CONDENSAZIONE A + 1 TD TA ESPANSIONE COMPRESSIONE P1 EVAPORAZIONE C B TC TB H1 COP = Qc /L = (L + Qev)L = L/L + Qev/L = 1 + ε Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA D E H2 ε ENTALPIA (kcal/kg) Riccagioia, 11 febbraio 2014 H3
  • Pompa di calore per la sottrazione di calore_esempio Qcond Prodotti/ambiente da raffreddare ESPANSIONE CONDENSAZIONE L EVAPORAZIONE Qev LO SCOPO E’ IL RAFFREDDAMENTO La differenza tra l’entalpia del refrigerante all’entrata e all’uscita dell’evaporatore è il valore determinante dell’efficienza frigorifera (H2 - H1). Maggiore è il ∆H, maggiore è ε, migliore efficienza avrà l’impianto frigorifero. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • SETTORE RESIDENZIALE Pompa di calore_applicazioni Riscaldamento acqua sanitaria Riscaldamento ambienti SETTORE INDUSTRIALE Riscaldamento acqua sanitaria Riscaldamento ambienti (capannoni, officine, uffici) Produzione acua calda per usi di processo Essiccazione Riscaldamento contenitori ALIMENTARE Lavaggio e pulitura Pastorizzazione Cottura Sterilizzazione SETTORE AGRICOLO Riscaldamento acqua sanitaria (anche per irrigazione, per scaldare il terreno) Riscaldamento ambienti (sale incubazione e schiusa uova) Conservazione e trasformazione dei prodotti agricoli Recupero di calore nella refrigerazione del latte (raffreddamento del latte munto da 37°C a 4°C nel lato dell’evaporatore e riscalda acqua di accumulo dal lato del condensatore) Essiccazione cereali e foraggi Riscaldamento serre Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Il trasferimento di calore_erogazione di calore ESSICCAZIONE Il trasferimento di calore induce la perdita di acqua riduzione della concentrazione di acqua nella matrice vegetale annullamento delle attività microbiologiche ed enzimatiche Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA stabilità del prodotto nel tempo Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Pompa di calore per la erogazione di calore_esempio Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Bruciando combustibile (metano, GPL…) trattasi di un processo di sottrazione di energia Come si può riscaldare un ambiente? Con resistenza elettrica consumando energia dalla rete prelevando calore a bassa temperatura da un ambiente esterno (aria, acqua, terreno) a quello da riscaldare e riqualificandolo, a spese di un lavoro meccanico Con pompa di calore Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Vantaggi Bruciando combustibile (metano, GPL…) Attingendo cioè calore dall’energia termica liberata per combustione di una sostanza che ha richiesto anni per essere formata. Infatti il calore deriva da un processo di sottrazione di energia in seguito alla rottura dei legami del combustibile. Con resistenza elettrica Il calore è prodotto dal riscaldamento di una resistenza alimentata dalla rete elettrica. Il suo funzionamento implicherà un consumo di corrente elettrica proporzionale alla potenza assorbita dalla resistenza stessa. Con pompa di calore Prelevando calore a bassa temperatura da un ambiente esterno (es: aria, acqua) a quello da riscaldare e riqualificandolo, a spese di un lavoro meccanico (che per poter essere erogato necessita di corrente elettrica). La pompa di calore operando a più alto rendimento energetico e riqualificando calore di valore praticamente nullo garantisce risparmio energetico. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Riassumendo… La pompa di calore: 1.Consuma energia elettrica nel compressore; 2.Assorbe calore per mezzo dell’evaporatore; 3.Cede calore al mezzo da riscaldare in Aria sempre disponibile, ma la sua temperatura corrispondenza del condensatore. varia, potenza pompa diminuisce con la T della sorgente La pompa di calore: • Fornisce più energia (calore) di quella elettrica impegnata per il suo funzionamento (compressore) in quanto estrae calore dall’ambiente esterno; • Avrà un COP maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell’evaporatore); • La potenza termica resa dipende dalla temperatura alla quale la pompa assorbe calore; • Esistono diverse tipologie di pompe in funzione del tipo di sorgente fredda e di pozzo caldo che utilizzano. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Acqua non risente delle condizioni climatiche, ma costi aggiuntivi per sistema di adduzione dell’acqua Terreno ha minori sbalzi di temperatura, ma applicazioni tubature a 1/1,5 m di profondità Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • L’impianto geotermico Sfruttamento dell’energia termica del sottosuolo Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Sistemi “closed loop” Sonde geotermiche verticali Sistemi “open loop” Sonde geotermiche orizzontali Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Applicazioni ESPANSIONE EVAPORAZIONE CONDENSAZIONE L Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • LE ESIGENZE CONTROLLO TERMOIGROMETRICO DELLA BARRICCAIA Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • LE ESIGENZE IMPIANTO DI REFRIGERAZIONE E RISCALDAMENTO DEI TINI E CLIMATIZZAZIONE DELLA TINAIA Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Temperature di riferimento per la fermentazione alcolica tfin = tini + 1000 x Espe/cp x ρ dove: tfin : temperatura di fine fermentazione in °C; tini : temperatura mosto ad inizio fermentazione in °C; Espe : energia sviluppata 135, kJ/l (32,5 kcal/l); Cp : calore specifico mosto pari a 3,6 kJ/kg °C, (0,885 kcal/kg °C); ρ : massa volumica (densità) mosto pari a 1050 kg/m3. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Flusso termico vasche P = A * U * (tint – text) Con: P flusso termico (potenza) scambiato in Watt (Kcal/h); A superficie dell’involucro disperdente in mq; U trasmittanza totale dell’involucro disperdente W/mq°C, (Kcal/h/mq °C); tint temperatura interna del mosto in °C; text temepratura esterna alla vasca in °C. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dimensionamento sonda geotermica Sottosuolo: • Gradiente termico; • Conduttività termica: (misura dell'attitudine di un materiale/sostanza a trasmettere il calore: maggiore è il valore della conduttività termica, meno isolante è il materiale); • Capacità termica (il rapporto fra il calore scambiato tra il corpo e l’ambiente e la variazione di temperatura che ne consegue); • Eventuale presenza di falde; • Tipologia di materiale di cementazione del perforo; Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dimensionamento sonda geotermica Impianto: • Temperature di lavoro dell’evaporatore/condensatore della pompa di calore; • Fabbisogno termico dell’edificio; • Potenze di picco in condizioni di progetto; • Curve di carico termico e frigorifero; • Ore di funzionamento degli impianti. Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Definizione profondità della sonda Equazione di Ingersoll: q = L (tg - tw) / R q = flusso termico richiesto (W) L = lunghezza di scambiatore (m) tg = temperatura del terreno (°C) tw = temperatura media del fluido termovettore nei tubi (°C) R = resistenza termica del terreno (m°C/W). Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Esempio dimensionamento cantina Alto Adige Lagrein Superficie vitata totale: 7 ettari. Cantina situata a Salorno (BZ). T arrivo uve: 15°C Superficie: 4 ha Resa: 50q/ha Quantità: 200 q T max di ferm. :28°C Resa in vino: 130 hl T arrivo uve: 22°C Superficie: 3 ha Resa: 75 q/ha Quantità: 225 q T max di ferm. : 26°C Resa in vino: 150 hl Dipartimento di di Scienze Agrarie e Ambientali DipartimentoScienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Area INGEGNERIA Pinot Nero Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Consumi in fermentazione alcolica Lagrein 18000 W Pinot Nero 14153 W 32153 W Consumi in malolattica Pinot Nero 1026 W Lagrein 1197 W 2223 W Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Dimensionamento sonda geotermica q = L (tg - tw) / R 460 metri di profondità Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Vantaggi • Una sola macchina per riscaldare e raffreddare; • Sicurezza (no combustibili); • Assenza assoluta di emissioni CO2; • Nessuna manutenzione; • Durata degli impianti; • Incentivi statali; Svantaggi • Diminuzione dei consumi. • Costo iniziale; • Possibilità di errato dimensionamento; • Scarso numero di progettisti e difficoltà a reperirli. Dipartimento di di Scienze Agrarie e Ambientali DipartimentoScienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impianto Fluido frigorigeno Ambiente caldo compressore Erogazione di calore Ambiente freddo Sottrazione di calore Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impianto GENERATORE In seguito alla somministrazione calore (qg) dalla fonte di calore, la soluzione (acqua + ammoniaca) si concentra perché la parte più volatile (ammoniaca) vaporizza e va al condensatore dove viene raffreddata ed eroga calore all’esterno. Il solvente (acqua) ritorna all’assorbitore. BILANCIO ENERGETICO: qg + qo = qa + qc Fluido frigorigeno (acqua + ammoniaca) Erogazione di calore Sottrazione di calore ASSORBITORE Ingresso dell’ammoniaca vaporizzata che cede calore all’assorbitore (acqua) che cambia di stato, Dipartimento passando di Scienze Agrarie e Ambientali da vapore a liquido diluendosi (acqua + ammoniaca) e2014 Riccagioia, 11 febbraio quindi la soluzione potrà essere Area INGEGNERIA pompata al generatore dove si riscalda grazie al calore derivante da fonte esterna.
  • Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impianto L’alimentazione del generatore (qg) può avvenire mediante diverse fonti: · gas naturale ( o altri combustibili liquidi ) · vapore · acqua calda · acqua surriscaldata · fumi · combustione biomasse (vinacce, residui di potatura, lolla di riso, sanse) Fluido refrigerante è una miscela binaria di fluidi (2 tipologie): 1) acqua (sostanza volatile) e bromuro di litio (H2O-BrLi): adatte al condizionamento ovvero per temperature (°C) > 0° 2) ammoniaca (sostanza volatile) ed acqua (NH3- H2O): adatte alla refrigerazione (T° fino a -30°C/-40°C) Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Ciclo frigorifero ad assorbimento_il COP Anche per la macchina ad assorbimento si definisce un coefficiente di prestazione (COP) quale rapporto fra la potenza termica resa e quella assorbita: COP = Qo / Qg Qo = Calore sottratto all’utenza (freddo) Qg = Calore fornito (energia termica) COP singolo effetto: 0.6÷0.75 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA COP doppio effetto: 1÷1.3 Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’applicazione GENERATORE Recupero da vinacce (qg) FLUIDO REFRIGERANTE Acqua e Bromuro di Litio Fluido frigorigeno AMBIENTE REFRIGERATO Condizionamento dei tini a 15°C ° Ambiente caldo, erogazione di calore CALORE EROGATO NELL’AMBIENTE per riscaldamento acqua sanitaria (in caso di trigenerazione) TRIGENERAZIONE Scambiatore utilizzato per il recupero di calore derivante dal ciclo frigorifero Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Ambiente freddo, sottrazione di calore Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Ciclo frigorifero ad assorbimento_svantaggi e vantaggi Svantaggi: •Alti costi d’impianto; •Ridotta scelta di taglie; •Presenza di una torre di raffreddamento per raffreddare la parte di soluzione assorbente che vaporizza (consumi idrici). Vantaggi: •Ridotti consumi di energia elettrica (il compressore di un ciclo frigorifero a compressione consuma di più rispetto alla pompa usata nel ciclo frigorifero ad assorbimento); •Silenziosità ed elevata affidabilità dei gruppi ad assorbimento e ridotta manutenzione grazie all’assenza di vibrazioni provocate dal compressore del ciclo tradizionale; •Impiego di sottoprodotti/residui del processo produttivo come fonte di calore qg per il generatore: 1.Impiego di cascame termico dal processo di lavorazione che altrimenti dovrebbe essere smaltito; 2.Impiego di scarti organici di processo annullandone così, i costi di smaltimento; •Possibile recupero di calore di scarto dal processo del ciclo frigorifero (trigenerazione). Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • 280 °C Olio diatermico Ev. integrazione Caldaia metano Caldaia a biomasse Min 200 °C Acqua refrigerata 7 - 12 °C Gruppo frigorifero ad assorbimento Max 240 °C Accumulatore di calore Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Onde evitare ingenti importazioni dall’estero, è necessario sfruttare anche le biomasse di tipo residuale che non impegnano terreni agricoli Pianta Superficie coltivata (ha) Residuo (t/ha) Biomassa totale ottenibile (Mt) 871.597 2,9 2,53 Olivo 1.170.362 1,7 2,00 Melo 64.447 2,4 0,15 Pero 45.826 2,0 0,09 Pesco 67.458 2,9 0,20 Agrumi 179.470 1,8 0,32 Mandorlo 86.406 1,7 0,15 Nocciolo 69.561 2,8 0,19 2.555.127 - 5,63 Vite Totale Disponibilità di biomasse residuali legnose in Italia equivalgono prudenzialmente a 500.000 ha coltivazioni energetiche Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Vitigno GRECHETTO Produttività (t/ha anno sul tal quale) Umidità (%)* PCI (kJ/kg s.s.)* 6 40 17.400 TREBBIANO 40 Potature di vite:3,6 produttività e MERLOT 2,4 44 caratteristiche 17.600 17.100 CABERNET 5,4 35 17.300 SANGIOVESE R23 3,3 34 17.000 SANGIOVESE BRUNELLO 4,8 40 17.480 * Dati Laboratorio Centro Ricerca Biomasse Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • VALORIZZAZIONE DEI RESIDUI DI POTATURA PER LA RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI IN CANTINA J. Bacenetti, V. Giovenzana, R. Beghi, R. Guidetti, M. Fiala Convegno di Medio Termine dell’Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, 22-24 settembre 2011 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Consumi energetici in cantina REFRIGERAZIONE (EF) Processo di vinificazione elevato consumo di energia elettrica (EE) per la refrigerazione (EF) (90% circa dei consumi elettrici in cantina): • Fermentazione • Maturazione CALDO (ET) • • Riscaldamento locali Eventuali processi di sterilizzazione V I N O ENERGIA Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Refrigerazione Gruppo frigorifero tradizionale (GFT) 1. 2. 3. 4. Efficace e affidabile Consumo di energia elettrica Impiego di gas refrigeranti di sintesi IEF = 2,5 – 4 Gruppo frigorifero ad assorbimento (GFA) 1. Efficace e affidabile 2. Consumo di energia termica (ET) 3. Potenziale valorizzazione di fonti rinnovabili e mancato utilizzo di refrigerante di sintesi, impiego di miscele NH3-H2O o H2O-BrLi 4. IEF = 0,6 - 1 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Gruppo frigorifero tradizionale Compressore Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Gruppo frigorifero ad assorbimento Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Gestione dei residui di potatura Sarmenti Smaltimento 2-3 ttq/ha·anno Trinciatura = 50 €/ha Recupero Valorizzazione Vendita Combustione Basso valore commerciale Scarsa qualità ET Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Scopo del lavoro Analisi preliminare della filiera per la valorizzazione dei residui di potatura della vite per la riduzione dei consumi energetici in cantina Valutazione: a) Costo di produzione economico e ambientale (emissioni di GHG) del biocombustibile (cippato da sarmenti) b) Costo economico e ambientale per la refrigerazione e il fabbisogno di caldo c) Sostenibilità delle filiera “rinnovabile” rispetto a quella tradizionale Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Schematizzazione RESIDUI DI POTATURA Raccolta Stoccaggio e essiccazione Cippatura CALDAIA A METANO CIPPATO CANTINA CALDAIA A CIPPATO Fabbisogni EE ET Gruppo Frigorifero Tradizionale Caldo (ET) Refrigerazione (EF) ET Gruppo Frigorifero ad Assorbimento Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Cantina 60 ha vitati Recupero sarmenti completamente meccanizzabile Fabbisogno termico 56400 kWht (Fonti fossili) Caldaia Metano Caldaia a biomassa 3380 € Refrigerazione = 165000 kWhf 6050 € GF Tradizionale GF Assorbimento CARATTERISTICHE TECNICHE Simbolo Unità Potenza elettrica PEE kWe 50 - Potenza termica PET kWt - 187 Indice Efficienza Frigorifera IEF - 3 0,8 Potenza frigorifera PFRIG kWf 150 Tempo di funzionamento HA h/anno 1100 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA GFT GFA Riccagioia, 11 febbraio 2014 9430 € Spesa annua per la filiera Tradizionale
  • 6050 €/anno = SPEE [55000 kWhe] INPCALD [242000 + 66000 kWh] Gruppo Frigorifero tradizionale (GFT) PEE = 50 kWe HA = 1100 h EECONS= 55000 kWhe IEF = 3 Caldaia a cippato HA = 1100 + 300 h ηET = 85% PCALD = 220 kWt ET ET CALDO FBCALDO= 56400kWht Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Gruppo Frigorifero ad Assorbimento (GFA) IEF = 0,8 HA = 1100 h PET= 187 kWt EF EF REFRIGERAZIONE PFRIG= 150 kWf FBFRED=165000 kWhf Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Costo Biocombustibile Imballatura Trasporto Stoccaggio Cippatura U% 45% 35 kW 0,85 ha/h 16000 € 500 kg 20 kW 0,35 ha/h 5000 € 600 kg Costo Economico Ambientale Unità 50 kW 3,85 ha/h 16500 € 900 kg Potenza Capacità operativa Costo d’acquisto Massa Imballatura Trasporto Cippatura Totale €/ttq 19,0 44,5 25,8 89,3 €/ha 47,5 111,2 64,6 223,3 kg CO2eq/ttq 12,1 9,8 10,8 32,7 kg CO2eq/ha 30,1 24,6 26,9 81,6 Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA 25% Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Risultati 2,6 t/ha (U=45%) 1,9 t/ha (U=25%) PCN = 3,58 MWh/t) INPCALD [242000 + 66000 kWh] 6,8 MWh/ha EF ET 36,0 ha Energia prodotta dal cippato 9,8 ha COSTO AMBIENTALE COSTO ECONOMICO 2,9 t CO2eq (223 - 50 €/ha) · 45,8 ha 7940 € (81,6 – 18,8 kg CO2eq/ha) · 45,8 ha EMISSIONI EVITATE MANCATE SPESE (EE+ET) 0,713 kgCO2eq/kWhe · 55000 kWhe 39,2 t CO2eq 9430 € 0,313 kgCO2eq/kWht · 56400 kWhe 17,7 t CO2eq RISPARMIO EMISSIONI RISPARMIATE 1490 € 54,0 t CO2eq SISTEMA DI RIFERIMENTO (Direttiva RED, GL1003 CTI) 0,198 kgCO2eq/MJe per EE; 0,87 kgCO2eq/MJt per ET Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • Conclusioni Sostituzione GFT con GFA accoppiato a caldaia a biomassa: ☺ ☺ ☺ ☺ Tecnicamente fattibile, GFA affidabili e disponibili commercialmente con diverse taglie Modesto risparmio economico soprattutto considerando che gli investimenti necessari per la messa in funzionamento del sistema innovativo sono maggiori. Presenti margini per l’ottimizzazione del cantiere di recupero della biomassa e quindi per un conseguente abbattimento dei costi. Considerevole riduzione delle emissioni di GHG associate alla vinificazione e al soddisfacimento del fabbisogno termico Attività di marketing (green label, impronta di carbonio, ecc.), Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014
  • …grazie per l’attenzione Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA Riccagioia, 11 febbraio 2014