Il documento esplora le molteplici applicazioni del rame nel campo delle energie rinnovabili e del risparmio energetico, evidenziando le sue proprietà tecnologiche come l'alta conduttività elettrica e termica. Viene analizzata l'importanza del rame in vari ambiti, tra cui l'energia eolica, solare, geotermica e la realizzazione di pannelli radianti. Inoltre, si esamina il ruolo del rame nell'efficienza dei motori elettrici e in impianti innovativi, come quello della pista di pattinaggio a Katrineholm.

1. Rame, risparmio energetico
ed energie rinnovabili
Istituto Italiano del Rame

2. Indice
1. Il rame: proprietà tecnologiche
2. Il rame per le energie rinnovabili
3. Il rame per l’energia eolica
4. Il rame per l’energia solare termica
5. Il rame per l’elettricità
6. Il rame e i pannelli radianti
7. Il rame e la geotermia
8. La pista di pattinaggio a Katrineholm
9. Rame e risparmio energetico: approfondimenti e bibliografia

3. 1. Il rame: proprietà tecnologiche

4. Principali caratteristiche del rame
Ottima conduzione di elettricità e calore
Lavorabilità a freddo e a caldo
Resistenza meccanica
Resistenza alla corrosione
Resistenza alle alte e basse temperature
Facilità di formare leghe
Attitudine alla giunzione
Possibilità di trattamenti superficiali
Riciclabilità

5. Conduttività termica del rame
Metallo Conduttività Conduttività
in W/(m*K) in %
Argento 418 107
Rame 390 100
Oro 300 77
Alluminio 210 54
Zinco 110 28
Nickel 90 23
Ferro 80 20
Titanio 22 6
Acciaio inox (304) 16,2 4

6. Conducibilità elettrica del rame
Metallo Resistività Conducibilità
in Ω*mm2/m in %
Argento 0,0159 105
Rame 0,0167 100
Oro 0,0235 72
Alluminio 0,0267 62
Zinco 0,059 28
Nickel 0,068 24
Ferro 0,095 17
Titanio 0,234 7
Acciaio inox (304) 0,689 2,5

7. 2. Il rame per le energie rinnovabili

8. Il rame e il risparmio energetico
Alta conducibilità
Impianti Risparmio
elettrica e alta
conduttività termica efficienti energetico

9. Fonti di energia rinnovabile
Tecnologia Dov’è il rame?
Eolico Generatori, motori, cavi trasformatori
Solare termico Scambiatori di calore, tubazioni
Solare fotovoltaico Convertitori, trasformatori, cavi
Geotermia Captatori nel terreno
Biomasse e Generatori, cavi
biocombustibili
Idroelettrica Generatori, trasformatori,
Maree cavi generatori, cavi per raccolta e trasmissione di
energia

10. 3. Il rame per l’energia eolica

11. Energia eolica
In una turbina da 1MW: da 3 a 4 tonnellate
di rame

12. Energia eolica
Generatore:
avvolgimenti di
rame
Stazione di
trasmissione:
avvolgimenti di
Trasformatore: rame
avvolgimenti di
rame
Cavi di potenza in
rame

13. 4. Il rame per l’energia solare termica

14. Il rame negli impianti del solare termico
Circuiti di
collegamento
Collettori
Accumuli
Immagine da: AmbienteItalia: “Impianti solari termici -
Manuale per la progettazione e costruzione”

15. Il rame negli impianti del solare termico:
i collettori
Conduttività Resistenza alle alte temperature
Trattamenti chimici di annerimento Giunzioni con le piastre sottili

16. Il rame negli impianti del solare termico:
i circuiti di collegamento
Resistenza alle alte T
Superficie interna liscia
Diametri minori
Tubi WICU® Solar Duo, da KME

17. Il rame negli impianti del solare termico:
i serpentini degli accumuli
Immagine da presentazione SolarPraxis: “Impianti
solari termici - Corso per installatori”

18. Tetto energetico:
la struttura (Tecu® Solar Roof)
TUBO DI RITORNO
SUPERFICIE CAPTANTE IN
LAMIERA DI RAME
TUBO DI MANDATA
MODULO CAPTANTE IN
LAMIERA DI RAME
SERPENTINA DI RAME A
SEZIONE OVOIDALE

19. Tetto energetico
Sistema in moduli
Varie finiture
Integrazione con la copertura

20. Tetto energetico:
residenza “I fenicotteri” (Cagliari)

21. Tetto energetico:
Dynamo Camp (Limestre, PT)

22. Tetto energetico:
villa privata (Arona, NO)

23. Facciata energetica:
piscina a Pori (Finlandia)

24. Facciata energetica:
piscina a Pori (Finlandia)
In facciata 80 m2 di collettori in facciata
Sul tetto 360 m2 di pannelli PV e 200 m2 di collettori

25. Facciata energetica:
la piscina a Pori (Finlandia)
• Collettori solari: 5% del fabbisogno di calore (120.000 kWh)
• In estate: riscaldamento sufficiente per piscina all’aperto

26. 5. Il rame per l’elettricità

27. Motori elettrici:
efficienza = risparmio
Esempio:
motore da 15kW
costo di 520 €
3500 h/anno
10 anni,
En.el. 0,07€/kWh
da: S.Vignati, E.Ferrero, “I motori elettrici ad alta efficienza”

28. Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
• In genere, nei motori
standard fino a 10 kW
c’è 1 kg di rame per kW;
• gli HEM contengono il
20% di rame in più.

29. Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
Attrito meccanico, effetto Joule e correnti parassite:
negli HEM queste perdite sono ridotte attraverso la scelta dei materiali, del
design e dell’assemblaggio degli elementi.
Rame, sezione maggiorata dei conduttori: meno perdite di energia e
surriscaldamenti
T più basse: il motore dura di più e necessita di ventole di raffreddamento più
piccole.
Meno attriti meccanici, meno volume e meno rumore.

30. Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
da: H. De Keulenaer, R.Belmans, E. Blaustein, D. Chapman, A. De Almeida, B. De Wachter, P. Radgen:
„Energy Efficient Motor Driven Systems”

31. Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
Gli investimenti necessari (rame in
più e le apparecchiature) sono
compensati dai risparmi ottenuti.
Ritorno dell’investimento (payback) Da 3 mesi a 3 anni
Importazioni combustibili fossili - 6%

32. Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.):
impatto ambientale
LCA (produzione, utilizzo, fine vita) di 3 motori ad induzione da 22 kW
(pompaggio di acqua, aria compressa o ventilazione)
Vita utile: 20 anni, carico 50%,
Efficienza: 89,5% / 91,8% / 92,6%
“Each additional kg of copper use saves well over 3 tonnes of CO2e emissions
in this particular application.
Given that one kg of copper takes 3 kg of CO2eq emissions in production (for
electrical applications, [Copper, 2006]), the environmental payback is more than
a factor 1000, while at the end of life, the kg copper can be recycled for the
next application.”
H. De Keulenaer, C. Herrmann, F. Parasiliti: “Ecosheet - 22 kW induction motors
with increasing efficiency”

33. Trasformatori ad alta efficienza (H.E.M.)
impatto ambientale
LCA di 3 trasformatori industriali da 1,6 MVA
Vita utile: 30 anni, carico 50%
Classe (secondo CENELEC HD 428) : AA’ / CC’ / C-Amorphous
Classe Rame (kg) CO2 (t)
AA’ 505 897
CC’ 725 683
C-Amorphous 1225 522
“Each additional kg of copper use
saves over 500 kg of CO2 eq
emissions in this particular
application.”
H. De Keulenaer: “Ecosheet – 1,6 MVA industrial transformer design
with increasing efficiency”

34. 6. Il rame e i pannelli radianti

35. I pannelli radianti
Il calore viene fornito
per irraggiamento dal
pavimento o dalla
parete
Immagine da: KME Solar

36. Pannelli radianti:
la UNI EN 1264-2
Per un materiale, il dato più importante è la conduttività termica
Materiale Conduttività termica W/(m*K)
Tubo di rame 390
Tubo PE-X 0,35
Tubo PB 0,22
Tubo PP 0,22
Tubo in PVC senza scanalatura 0,2
Tubo in PVC con scanalatura 0,15
Conduttori in alluminio 200
Tubo di acciaio 52
UNI EN 1264-2, prospetto A.15

37. Pannelli radianti, l’influenza della tubazione:
resa termica del pavimento
Passo (cm) Rame (W/m2) Pex ( W/m2) differenza Pavimento: parquet
5 127 118 + 7% T ambiente: 20°C
10 122 108 + 12% T media acqua:
12 120 104 + 15% 40°C
15 116 98 + 18% Si considera la
soletta classica,
20 108 88 + 22%
con 3 cm di
25 100 79 + 26% isolante
30 92 71 + 29%
Tabella tratta da: “Impianti termici di benessere”, di S.
Gioria. pagg. 30-32.

38. Pannelli radianti
Vantaggi del tubo di rame
Passo maggiore

meno metri di tubo
Meno curve

meno perdite di carico
No additivi per il cemento
Dilatazione termica minore
Sistema ModulRadiant®

39. Pannelli radianti
Durata del tubo di rame
Cattedrale di Lodi
Impianto a pannelli a pavimento
installato nel 1964.
Oltre 5.800 metri di tubo di rame.

40. Pannelli radianti
Impianti a parete
Sede Naturalia-BAU s.r.l.,
Merano (BZ)
Arch. Dietmar Dejori, 2008
E’ il primo edificio commerciale
a emissioni zero
Fabbisogno energetico:
7,44 kWh/m² (CasaClima ORO)
• Impianto geotermico
• Impianto fotovoltaico
• Pareti e tetti coibentate
• Finestre a tre strati

41. 7. Il rame e la geotermia

42. La geotermia
Serpentine interrate
“prelevano” il calore
del terreno per
riscaldare la casa.
In estate l’impianto
può essere usato per
il raffrescamento.
Immagine da: www.sofath.com

43. Il tubo di rame per la geotermia
Tubi di rame per i
captatori nel terreno:
• Fluido refrigerante
R410
• Resistenza alle alte P
• Basse perdite di carico
• Minore occupazione di
spazi
Tecnologia Sofath, gamma Caliane dex

44. Geotermia
Confronto tra sistemi con rame e con plastica
Sono stati presi in considerazioni due sistemi geotermici di potenza simile, per confrontare
la loro resa attraverso la superficie di terreno occupata dai captatori.
Confronto: tecnologia DEX/acqua glicolata
Modello Caliane 15.10: Termeo 14 Cap.:
Descrizione Pompa di calore, tubo Acqua glicolata, tubo in
in rame plastica
Potenza 15.100 Wterm 14.050 Wterm
Potenza assorbita 3.660 Wel 3.510 Wel
Potenza prelevata 11.440 W 10.540 W
Superficie di terreno 270 m2 450m2
occupata
Resa 42,37 W/m2 23,42 W/m2
Dati tratti da presentazione tecnica Sofath

45. 8. La pista di pattinaggio a Katrineholm

46. Pista di pattinaggio a Katrineholm
Una pista di ghiaccio per pattinaggio
consuma in media 1.000-1.500 MWh/anno.
Per minimizzare i costi di gestione, a
Katrineholm (Svezia) hanno scelto un
impianto di raffreddamento con CO2 come
fluido refrigerante e tubi di rame

47. Pista di pattinaggio a Katrineholm
Il fluido refrigerante
Fluido refrigerante: CO2 al posto di acqua+CaCl2
• La CO2 riduce del 90% l’energia da dare alle pompe di circolazione.
• La CO2 è un sottoprodotto di altri processi industriali.
Pressione di lavoro: 40 bar.
Scelta tra tubi di rame e acciaio

48. Pista di pattinaggio a Katrineholm
Il tubo
Tubi di rame e non di acciaio:
• Eccezionale conduttività termica
• Più semplici da giuntare (brasatura)
• Più semplici da installare
• Disponibilità di rotoli fino a 60 m
• Riciclabilità totale
Tubo di rame:
½’ x 0,85 mm
pellicola in PE (spessore, 0,45 mm)
pulizia interna a norma EN 12735
Sviluppo complessivo: 18 km

49. Pista di pattinaggio a Katrineholm
calcoli numerici (tubi, passo, portata)
T di evaporazione della CO2 (in °C), necessaria per ottenere una T superficiale
del ghiaccio di –4°C, al variare del trasferimento di calore (passo di 100 mm)
Tubo Trasferimento di calore, in W/m2
50 100 150 200 250 300
Rame ½’ con -6,03 -7,77 -9,50 -11,24 -12,97 -14,71
rivestimento PE
Rame ½’ senza -5,87 -7,46 -9,04 -10,62 -12,20 -13,79
rivestimento PE
Acciaio 21,3 mm -5,89 -7,34 -8,78 -10,22 -11,67 -13,11
Plastica 25 mm -7,83 -9,65 -11,47 -13,29 -15,11 -16,93

50. Pista di pattinaggio a Katrineholm
caduta di temperatura nei materiali del tubo
100 W/m2,
100 mm
Dentro la parete in rame (spessore 0,85 mm) 0,001°C
Dentro la pellicola PE (spessore 0,45 mm) 0,31°C

51. Pista di pattinaggio a Katrineholm
risparmi energetici ottenuti
Pompa per circolazione CO2
Impianto tradizionale (fluido: acqua e CaCl2): 12-15 kW (media: 13,5 kW)
13,5 kW x 8000 h/anno circa = 108.000 kWh/anno
la pompa per la CO2 consuma il 90% in meno:
circa 97.200 kWh/anno
Temperatura della CO2 e conduttività termica del rame
Circa 50.000 kWh/anno
Totale risparmio del sistema rame+CO2
Circa 150.000 kWh/anno (Al costo dell’elettricità svedese: 15.000 €)

52. Pista di pattinaggio a Katrineholm
risparmi ottenuti
Ritorno dell’investimento
Costo supplementare per il “sistema” rame+CO2 : +75.000 €
Ritorno dell’investimento: poco più di 5 anni
Inoltre:
• Impianto per il recupero del calore generato dal sistema di refrigerazione e
altre ottimizzazioni dell’impianto: 400.000 kWh/anno
• Alla fine del ciclo di vita dell’impianto: tubo facilmente riciclabile
• Premio dalla Agenzia di Protezione Ambientale svedese

53. 9. Rame e risparmio energetico:
approfondimenti e bibliografia

54. Bibliografia e approfondimenti
Risparmio energetico, energia solare, geotermia
IIR: “Il tubo di rame e il risparmo energetico” (brochure:
www.iir.it/newslett/Newsletter%20risparmio%20energetico.pdf)
ECI-CEDIC: “Copper: solar Energy’s perfect partner”
(www.eurocopper.org/doc/uploaded/File/PK%20Copper%20Solar%20Energy%
20EN%20171006.pdf)
Sito IIR: “Solare e Geotermia” (www.iir.it/applicazioni/solare.asp)
ECI: “Copper at the core of Renewable energies”
(www.eurocopper.org/doc/uploaded/File/Press%20Kit%20Copper%20in%20Re
newables%20Final%2029%2010%202008.pdf)
ECI, Solarapraxis: “Impianti solari termici, corso per installatori” (presentazione)
IIR: “Il rame per una casa più sostenibile” (brochure: www.il-rame-nobilita-la-
casa.it/media/63946/il_rame_per_una_casa_pi__sostenibile.pdf)
KME: “Tecu® Solar System”
Documentazione tecnica Sofath

55. Bibliografia e approfondimenti
Motori elettrici
H. De Keulenaer, C. Herrmann, F. Parasiliti: “Ecosheet - 22 kW induction motors
with increasing efficiency”, May 2006 (www.leonardo-
energy.org/webfm_send/359)
A.Baggini, F.Bua: “Motori elettrici ad alta efficienza e risparmio energetico”
(U&C, lug./ago 2008)
H. De Keulenaer: “Ecosheet – 1,6 MVA industrial transformer design with
increasing efficiency” (www.leonardo-energy.org/files/root/pdf/2006/Case6-trafo-
1600-50.pdf )
S.Vignati, E.Ferrero: “I motori elettrici ad alta efficienza” (Gestione energia,
n.4/2004, http://motorchallenge.casaccia.enea.it/motori_elettrici.pdf)
H. De Keulenaer, R.Belmans, E. Blaustein, D. Chapman, A. De Almeida, B. De
Wachter, P. Radgen: “Energy Efficient Motor Driven Systems” (www.leonardo-
energy.org/webfm_send/2631)
Leonardo Energy (www.leonardo-energy.org/high-efficiency-motor-systems)

56. Bibliografia e approfondimenti
Pannelli radianti e pista di pattinaggio
IIR: “Rame. Il materiale ideale per il riscaldamento radiante” (brochure:
www.iir.it/newslett/prof_11_1.htm)
M. Crespi: “Il rame scalda la cattedrale da oltre 40 anni” (GT, ott. 2006
www.iir.it/attivita/pdf/articoli/GT%20cattedrale%20Lodi%2010-2006.pdf)
S. Gioria: “Impianti termici di benessere”
K. Shahzad: “An Ice Rink Refrigeration System based on CO2 as Secondary
Fluid in Copper Tubes” (Dottorato di ricerca; Royal Institute of Technology,
Stoccolma, 2006)
(www.vintersportarenor.se/media/1121/ice%20rink%20co2+cu_tube%20thesis%20feb06.pdf)
J. Rogstam, S. Sawalha, P.O. Nilsson: “Ice Rink Refrigeration System with CO2
as Secondary Fluid” (ScanRef 5-2005) (www.iuc-
sek.se/upload/Media/Artikel%20Ice%20rink%20Scanref%20sep05.pdf)
M. Crespi: “Una pista di pattinaggio con impianto a CO2” (Costruire Impianti 3-
2008: www.iir.it/attivita/pdf/articoli/Costruire%20Impianti%203-2008%20-
%20Una%20pista%20di%20pattinaggio%20con%20impianto%20a%20CO2.pdf)

57. Via dei Missaglia 97 - 20142 Milano.
Tel.: 02 89 30 1330 – Fax: 02 89 30 1513
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Agosto 2012