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workshop LEAP r2b_09.06.2011 workshop LEAP r2b_09.06.2011 Presentation Transcript

  • Efficienza nelluso dellenergia e valorizzazione dei prodotti greenTecnologie e metodologie gestionali per una concreta prospettiva di sviluppo R2B - Research to Business, Bologna - 09 Giugno 2011 EFFICIENZA E SOSTENIBILITA’ DEGLI IMPIEGHI ENERGETICI: IL CONTRIBUTO DI LEAP Alberto Sogni
  • Il Consorzio L.E.A.P.LEAP (Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza) è unconsorzio nato nel 2005 su iniziativa della sede piacentinadel Politecnico di Milano. 1. Dip. di Energia 2. Dip. di Elettronica e InformazioneE’ partecipato da: 3. Dip. di Elettrotecnica 4. Dip. di Chimica,•Polo Territoriale di Piacenza Materiali e Ing. Chimica del Politecnico 5. Dip. di Ingegneria Idraulica, Ambientale,•5 Dipartimenti del Politecnico Infrastrutture Viarie e del Rilevamento•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. 2 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Sede e gruppo di lavoro di LEAPLEAP ha sede a Piacenza presso l’ex officina trasformatori della CentraleEmilia, il nucleo storico, risalente agli anni Venti, di un impiantotermoelettrico 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. LEAP fa parte di: LEAP è certificato UNI EN ISO 9001:2008 3 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Le attività del LEAPRicerca 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. 4 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Attività sperimentali del LEAPProve su impianti:Laboratori sperimentali: 5 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Sommario1.Cogenerazione ed efficienza energetica: considerazioni introduttive, casi di studio LEAP: •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 meno2.Recupero di materia ed energia da rifiuti e residui: considerazioni introduttive, casi di studio LEAP: •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 MatER3.Tecnologie per la cattura ed il sequestro della CO2: considerazioni introduttive, attività LEAP: •Attività modellistiche e sperimentali di CO2_Box4.Conclusioni 6 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Cogenerazione: il principio COGENERAZIONE = ELETTRICITA’ + CALOREOgni ciclo termodinamico che converte calore in elettricità (o lavoromeccanico) per il Secondo Principio della Termodinamica deve scaricare unaparte del calore introdotto nel ciclo. L’idea base della cogenerazione èrecuperare in parte o totalmente questo calore di “scarto” come effettoutile. 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 Fonte: www.cogen-challenge.org 7 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Cogenerazione: esempi di tecnologieMotore GE Jenbacher J616 GS a Package Ecowill con motore a Package Whispergen con motore biogas, potenza 2 MWel gas naturale, potenza 1 kWel Stirling, potenza 1,2 kWelMicroturbine a gas Capstone, Modulo PEM Ballard Power System da Macchina frigorifera ad potenza 30 kWel 250 kWel – Bewag Treptow, Berlino assorbimento Century da 70 kWfr 8 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e cogenerazione: prospettive in Emilia Romagna - 1 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 è valutata 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. Richiesta Energetica PIACENZA PARMA REGGIO RAVENNA MODENA EUROBOX Distretto di TETRAPAK Cartiera Cartiera FARPRO S.p.A. + Prosciuttificio S.p.A. Prosciuttifici S.p.A. (attuale) (Futura) HARIPRORichiesta Elettrica [kWhel] 4.492.955 1.954.654 19.546.553 14.874.725 13.341.568 16.676.970 5.103.200Richiesta Termica [kWhth] 25.761.160 2.304.015 21.760.105 1.887.935 3.335.400 41.692.500 35.367.500Richiesta Frigorifera [kWhfr] - - - 24.607.238 - - - 9 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e cogenerazione: prospettive in Emilia Romagna - 2Indici di Risparmio Energetico Stimati per tutti i casi tipo aziendalitrattati: IRE [%] 0,4 35% 36% 35% 36% 33% 34% 0,35 29% 0,3 0,25 [%] 0,2 0,15 0,1 0,05 0 EUROBOX Prosc. Distretto TETRAPAK Cartiera Cartiera FAR PRO S.p.A. singolo (Attuale) (Futura) S.p.A. + HARIPRO 10 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e cogenerazione: prospettive in Emilia Romagna - 3Emissioni in atmosfera potenzialmente evitabili in terminipercentuali di sostanze inquinanti e climalteranti nel caso diutilizzo di impianti di cogenerazione: Rapporto Emissioni Evitate / Emissioni Caso Base [% ] 100,00 90,00 80,00 NOx 70,00 CO 60,00 SOx 50,00 CO2 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 O a) A. e) R lo AK tto IP ur p. al go ttu ut AR AP S. tre in (F (A X is .s TR H BO a D ra c + er TE os tie A. O ti Pr ar R p. ar EU C S. C O PR R FA 11 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e cogenerazione: prospettive in Emilia Romagna - 4Risultati economici: Caso/provincia Piacenza Parma Reggio Emilia Ravenna Modena FAR PRO S.p.A. + EUROBOX S.p.A. Cartiera (Attuale) Cartiera (Futura) Prosc. singolo TETRAPAK HARIPRO Distretto Nome azienda Cos Inves to timento [€] 560.700 137.813 3.804.800 1.435.000 1.307.250 1.680.000 1.043.700 Pay Back Time [anni] 5,1 6,0 10,4 5,3 2,5 2,4 5,0 NPV [€] 268.873 51.018 560.521 647.240 1.626.710 2.142.055 509.975 IRR [%] 31,0 28,0 18,0 30,1 53,3 54,1 31,3 NPV/ Cos Inv. [% to ] 48,0 37,0 14,7 45,1 124,4 127,5 48,9•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 dienergia, consistenti riduzioni delle emissioni in atmosfera;•Ancora molte potenzialità inespresse. 12 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Efficienza energetica: principio e vantaggi EFFETTO UTILEEFFICIENZA ENERGETICA = ENERGIA IMPIEGATA•Tecnologia energeticamente efficiente: permette di ottenere lo stessoeffetto utile (energia meccanica, elettrica, termica…) con un minoreimpiego 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 sulconsumo finale lordo. Grazie all’efficienza si riduce il consumo finale equindi la quota di FER, di conseguenza anche i costi di sviluppo FER. 13 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Efficienza energetica: potenzialità e tecnologie Al 2016 riduzione del 9,6% dei consumi finali rispetto al 2005 Fonte: M.Gallanti, RSEAttuazione della Direttiva 2006/32/CE attraverso il Piano di Azione perl’Efficienza Energetica: al 2016 riduzione dei consumi del 9,6% rispetto al2005 corrispondente a 10,8 Mtep. 14 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP ed efficienza: software verifica caldaie - 1Sviluppo software per la verifica di caldaie a recupero a serpentino:contratto di ricerca commissionato dalla Azienda Garioni Naval SpA di CastelMella (BS).•Caldaie a recupero del tipo a tubi d’acqua;•Per la produzione di acqua surriscaldata, olio diatermico o vaporesaturo in configurazione once-through;•Impiego nell’industria navale e di processo. Serpentino di una caldaia Incremento dell’efficienza di un generatore di vapore con l’adozione della caldaia a recupero come economizzatore; in ascissa il carico del Fonte: www.garioninaval.com generatore. 15 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP ed efficienza: software verifica caldaie - 2 Portate ecaratteristiche dei fluidi Programma di verifica TemperatureTemperature in uscita Modello matematico per: in ingresso 1. Calcoli geometrici Pressioni Pressioni in uscita 2. Equazioni di scambio termico in ingresso 3. Equazioni di conservazioneConfigurazione Potenza termica 4. Correlazioni di scambio termico geometrica scambiata 5. Correlazioni per le perdite di carico Confronto risultati software: Uso del software per ottimizzare il progetto: Confronto fra Risultati di Calcolo della Potenza Scambiata incremento del 7,7% della potenza scambiata per Casi ad Olio Diatermico il modello di caldaia considerato 1200 +17% Portate delle correnti di gas 1000 GMT EG 575 Correlazioni Tubi Rettilinei- Q Calcoli Software [kW] 800 Banco di Tubi Rettilineo 2,5 -6% Portate delle correnti [kg/s] Correlazioni Tubi Elicoidali 600 - Banco Elicoidale 2 (Abadzic) Correlazioni Tubi Elicoidali 1,5 400 - Banco Rett. (Zukauskas) 1 200 0,5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 0 Q Calcoli Garioni [kW] P=398 kW P=429 kW 16 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP ed efficienza: il settore elettricoRisparmiare energia elettrica: studio per una pubblicazionesull’efficienza nei consumi elettrici. In Italia il 75-85% dei consumielettrici nel settore industriale-artigianale è dovuto ai motori. Risparmio energetico che siNumero di anni N per il ritorno di investimento per ottiene regolando un ventilatoreun motore di classe di efficienza Eff1 rispetto ad con inverter anziché conuno di Eff2 al variare della potenza e delle ore serrandaannue di funzionamento (incentivi fiscali DM19/2/2007 fino al 2010)Fonte: M.Delfanti-G.Invernizzi, Risparmiare Energia Elettrica, TuttoNormel 17 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Recupero di materia ed energia dai rifiutiOgni abitante dei Paesi industrializzati produce in media da 1 a 2,5 kg algiorno 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 RepubblicaCeca e Polonia, 833 kg in Danimarca, 541 kg in Italia (Eurostat 2011). 18 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Recupero di materia ed energia dai rifiuti Gestione integrata del ciclo dei rifiuti: “la regola delle 4R” (Decreto Ronchi 1997) BENEFICI risparmio di risorse Riduzione attraverso il recupero di: - materiali - energia Riutilizzo Riciclaggio Recupero energetico PROBLEMI - adeguata gestione del discarica di servizio sistema (residui INERTI) - emissioni - costi 19 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Recupero di materia ed energia dai rifiutiGestione dei RSU nell’Europa a 27 Paesi – anno 2009, % in peso Termoutilizzazione o Incenerimento Discarica Riciclo Compostaggio Gestione RSU EU 27 - anno 2009100%90% •EU 27: 20% TU o inc.,80% 38% discarica, 24% riciclo, 18% compost.70% •Italia: 12% TU o inc.,60% 45% discarica, 11% riciclo, 32% compost.50% •Nei Paesi40% industrializzati la30% risorsa energetica potenziale a valle della20% RD è pari al 3-5% dei consumi di energia10% primaria(esclusi i 0% trasporti) •In Italia: 4% - in realtà tog a a 27 go ro gi o v ac o Spa ia c ia a se m da ncia gna a Litu ia a ta allo Ung ia ia ia Re g Cec a z ia ia P ol a ni a a rca tri oni ni t nd ani I tal i oni ani ton her v en Cip ch gar Mal land bur EU n Sve Gre Aus Be l ma ima no U la risorsa è sfruttata Ola I rla Est Fra Rom Let Bul Slo li ca Fi n Ger P or Da n Slo solo al 10% ubb Lus Re p Fonte: rielaborazione LEAP di dati Eurostat 20 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e rifiuti: analisi del sistema di gestione di Piacenza - 1Studio svolto per conto diTecnoborgo SpA:•Analisi energetica edambientale deltermovalorizzatore pervalidarne i dati gestionali e ilrispetto delle normative vigenti;•Valutazione delle lineeevolutive del sistema di raccoltadei RSU nel bacino della Materiale NON RACCOLTA intercettato RURprovincia di Piacenza; RSU DIFFERENZIATA TERMOUTILIZZAZIONE Materiale Scorie e intercettato residui•Analisi LCA del sistema di Scarti separazione e trattamento fumi Energia elettrica: SEPARAZIONE DEL selezionegestione complessivo per MULTIMATERIALE E A recupero sostituzione di elettricità prodotta SELEZIONE DI OGNIricavere i principali indici di MATERIALE Ceneri per via Scarti convenzionalevalutazione; Organico Imballaggi recupero DISCARICA selezionato selezionati•Analisi bibliografica sugli Acciaio, Alluminio Vetro, Plasticaeffetti sulla salute riconducibili Carta, Legno RICICLO Materiale riciclato: sostituzione del prodotto primarioalle emissioni in atmosfera degliimpianti di termoutilizzazione. FORSU Verde COMPOSTAGGIO Compost: sostituzione di torba e concimi chimici 21 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e rifiuti: analisi del sistema di gestione di Piacenza - 2 Risultati ambientali salienti dell’analisi LCA : •Confronto fra scenario base con RD al 36% e scenario derivato con RD 50%, maggior sfruttamento capacità autorizzata, 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. Nello scenario derivato maggiore sostenibilità del sistema integrato di gestione dei rifiuti. 22 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e rifiuti: emissioni di polveri fini ed ultrafini - 1Studio svolto per conto diFederambiente:Obiettivi:•Analisi critica della fenomenologia;•Caratterizzazione sperimentale di variambienti in termini di numero diparticelle presenti e curvagranulometrica;•Misura delle emissioni da impianti dicombustione, in particolare: Caldaiedomestiche, Termovalorizzatori di RSU; 3 impianti rappresentativi delle moderne configurazioni: •Bologna; •Brescia; •Milano.•Valutazione dei potenziali effetti dipolveri fini ed ultrafini sulla saluteumana. 23 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e rifiuti: emissioni di polveri fini ed ultrafini - 2Risultati: •Difficoltà di misura, influenza•Polveri in tutti gli ambienti; fenomeni dell’atmosfera;•Tra le fonti tutti i processi di •Allo stato delle conoscenze noncombustione; esistono evidenze del legame termoutilizzatori-polveri fini. Motori 81.000.000 Motori Diesel 52.000.000 67.000.000 benzina Particelle cm (scala logaritmica) 43.000.000 Caldaie 17.000.000 45.000.000 51.000.000 21.000.000 4.000.000 Termovalorizzatori 1.300.000 500.000 270.000 -3 70.000 32.000 90.000 18.000 42.000 7.000 14.000 4.500 11.000 10.000 4.000 a tta no lio t te P to . P a le nv lle ci gn FA FA ra en et so ila es re Pe co lo tu in Ga bi on a M di Br Bo nz m na a am lc z. in Ca se ie s nz se Ga ia in el Be ie Ar es a D in Di nz Be * FAP = filtro antiparticolato 24 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Il nuovo Centro Studi MatERIl Centro Studi MatER - Materia ed Energia da Rifiuti è una strutturarecentemente costituita in seno al LEAP allo scopo di riunire in ununico soggetto enti di ricerca ed imprese che operano nel settoredel 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. 25 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Tecnologie per cattura e sequestro della CO2Possibili interventi per annullare (quasi) totalmente le emissioni di CO2 inatmosfera:•Aumento quota rinnovabili;•Utilizzo fonte nucleare;•Applicazione di tecniche per il sequestro della CO2CCS (Carbon Capture and Sequestration): impianti alimentati mediantecombustibili fossili che generano vettori energetici decarbonizzati(elettricità, calore e idrogeno) e, invece di rilasciare la CO2 generata inatmosfera, la rendono disponibile come flusso a sé stante, pronto per lostoccaggio di lungo periodo. acquaidrocarburi idrogeno elettricità caloreCO2 26 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Tecnologie per cattura e sequestro della CO2L’accumulo di CO2 negli strati superficiali della crosta terrestre è unprocesso naturale che avviene da centinaia di milioni di anni dando vita aformazioni di carbonati minerali e a depositi di CO2 pura o in miscela. Fonte: www.co2crc.com.au 27 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e CCS: il laboratorio CO2_BoxLe tecniche di cattura rendono disponibili flussi di CO2 contaminata dadiverse impurità e questo influisce sul progetto dei componenti (sistemi diseparazione, compressori, tubazioni, ecc.) e sul comportamento durantel’iniezione e lo stoccaggio.Fondamentale conoscere il comportamento termodinamico di queste miscelea base di CO2Banco prova sperimentale per la determinazione delle proprietàtermodinamiche delle miscele a base CO2 28 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e CCS: il laboratorio CO2_BoxRisultati:•Produzione scientifica;•Collaborazioni con altri centri di ricerca ed università.In figura il confronto fra due modelli matematici (equazioni cubiche diSoave-Redlich-Kwong e di Peng-Robinson) in termini di accuratezza dipredizione della densità di CO2 pura 29 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • LEAP e CCS: il laboratorio CO2_Box 30 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • Efficienza e sostenibilità dell’energia: conclusioniAlcune 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. 31 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011
  • GRAZIE PER L’ATTENZIONE! Ing. Alberto Sogni – Consorzio LEAP alberto.sogni@polimi.it www.leap.polimi.it 32 A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011