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Torino, 25 Settembre 2009

Sostenibilità energetica in ambito urbano : Metodologie di analisi. Ing. Novella TALA’, Responsabile Scientifico Prof. Massimo SANTARELLI Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino Fondazione TELIOS. Torino, 25 Settembre 2009. Fasi di sviluppo dell’assegno.

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  1. Sostenibilitàenergetica in ambitourbano: Metodologiedianalisi Ing. Novella TALA’, Responsabile Scientifico Prof. Massimo SANTARELLI Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino Fondazione TELIOS Torino, 25 Settembre 2009

  2. Fasi di sviluppo dell’assegno • Ricerca bibliografica sui modelli di analisi energetica e ambientale di sistemi urbani di grandi dimensioni • Classificazione dei modelli di analisi ed eventuali software applicativi • Studio domanda energetica per settori (Trasporti, Residenziale,Commerciale, …) e relativi aspetti ambientali • Metodi di analisi di sistemi energetici territoriali • Caso studio preliminare • CASE STUDY: Quartiere di Torino • Raccolta dati • Analisi dello stato attuale • Proposta e analisi scenari alternativi • Conclusioni Torino, 25 Settembre 2009

  3. Obiettivi dell’assegno Lo studio si propone di confrontare metodologie di offerta e gestione di energia in tutti i settori che caratterizzano l’ambito urbano Perché ambiti urbani? Perché sono tra i principali consumatori di energia responsabili di impatti sulla biosfera e pertanto possibili laboratori di applicazione dei processi di produzione e gestione sostenibile dell’energia. Torino, 25 Settembre 2009

  4. Il sistema energetico di riferimento (1) Gli ambiti urbani rappresentano dei sistemi energetici complessi in cui i flussi di energia e di materiale sono collegati da reti di tecnologie articolate, con singole componenti ugualmente complesse Torino, 25 Settembre 2009

  5. Il sistema energetico di riferimento (2) L'approccio modellistico permette di rappresentare le realtà urbane traducendo in termini matematici i flussi energetici ed i costi economici e ambientali del sistema Rappresentazione aggregata di un sistema energetico di riferimento Torino, 25 Settembre 2009

  6. Il sistema energetico di riferimento (3) Diagramma energetico Fonti primarie Fonti secondarie Vettori energetici Dispositivi Residenziale Servizi Terziario Processi Conversione Trasporti Industria Torino, 25 Settembre 2009

  7. Metodi di analisi • Sono state esplorate metodologie utili alla comprensione delle trasformazioni dei flussi energetici; Metodi di analisi adottati: • Analisi ENergetica (Analisi WTW) • Analisi Ambientale • Analisi EXergetica Torino, 25 Settembre 2009

  8. Analisi di un sistema energetico territoriale Fasi principali dell’analisi: Descrizione del sistema e dei suoi confini Acquisizione, elaborazione e controllo dei dati Costruzione del diagramma energetico Analisi Calcolo indicatori (ENergetici, EXergetici, Ambientali) Interpretazione dei valori Rappresentazione dei risultati Valutazione finale Torino, 25 Settembre 2009

  9. Analisi ENergetica-Ambientale L’analisi WTW rappresenta una metodologia di valutazione ENergetico-Ambientale specifica per autotrazione e costituisce un caso particolare della metodologia Life Cycle Assessment (LCA) • L’indice WTT (Well-to-Tank) tiene conto dell’energia utilizzata per estrarre, lavorare e trasportare la fonte primaria sino al parco combustibili. • L’indicatore TTW (Tank-to-Wheel) caratterizza le modalità con cui il combustibile è impiegato in una specifica tecnologia. • L’indicatore composto WTW (Well-to-Wheel) permette di paragonare le diverse combinazioni di fonte primaria e tecnologia che la utilizza. Torino, 25 Settembre 2009

  10. Analisi ENergetica Schematicamente le fasi della sequenza WTW sono Produzione, trasporto e distribuzione materie prime Fase 1 WTTEN WTWEN Fase d’uso (utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia) TTWEN Fase 2 L’indicatore WTWENERGETICO valuta i costi energetici di un servizio energetico espressi in MJ/MJ Torino, 25 Settembre 2009

  11. Analisi Ambientale Schematicamente le fasi della sequenza WTW sono Produzione, trasporto e distribuzione materie prime Fase 1 WTTAMB WTWAMB TTWAMB Fase d’uso (utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia) Fase 2 L’indicatore WTWAMBIENTALE valuta i costi ambientali di un servizio energetico espressi in t(CO2)/MJ Torino, 25 Settembre 2009

  12. Analisi ENergetica-Ambientale Indicatori: • Efficienza energetica • Fabbisogno di energia primaria • CO2(emessa)/y Torino, 25 Settembre 2009

  13. Analisi EXergetica (1) La conservazione dell’energia nel suo complesso enunciata dal Primo Principio della Termodinamica fornisce informazioni quantitative, ma non rende conto delle qualità intrinseche di una forma di energia rispetto ad un’altra. Il Secondo Principio della Termodinamica permette di conoscere in termini anche qualitativi le energie in gioco. Perdita di qualità energetica in un processo reale Torino, 25 Settembre 2009

  14. Analisi EXergetica (2) L’Exergia di un flusso energetico (termico, elettrico, associato a una massa) è la massima quantità di lavoro ottenibile da una trasformazione reversibile del flusso energetico fino a portarlo in equilibrio con l’ambiente L’ EXergia posseduta da un certo sistema è definita “come il massimo lavoro estraibile dai flussi di energia che il sistema scambia con l’ambiente circostante sino a portarsi in equilibrio con esso”. Torino, 25 Settembre 2009

  15. Analisi EXergetica (3) L’ENergia si conserva sempre, non si può né distruggere, né creare. L’EXergia si conserva solamente in un processo reversibile; tutti i processi reali però sono di tipo irreversibile, per cui alla fine di ogni processo è destinata a degradarsi. In un sistema antropico l’ENergia in ingresso fluisce ed esce quantitativamente invariata, mentre l’EXergia si consuma all’interno del sistema arrivando, in alcuni sistemi, anche ad annullarsi. Torino, 25 Settembre 2009

  16. Analisi EXergetica (4) L’Analisi EXergetica permette di analizzare le prestazioni di un sistema dal punto di vista di un utilizzo razionale delle risorse consumate. L’Analisi EXergetica viene utilizzata per identificare i componenti in cui si sprecano le risorse energetiche del sistema, il tipo e l’entità di questo spreco, ed è quindi utile per sviluppare strategie per un miglior utilizzo delle risorse. Insintesi serve a: -quantificare come l’ENergia si degrada attraverso la evoluzione della distruzione della grandezza EXergia ; -confrontare diversi processi attraverso un ulteriore indice chiamato efficienza EXergetica. Questa analisi è applicabile sia per i singoli componenti che per il sistema globale Torino, 25 Settembre 2009

  17. Analisi EXergetica (5) Il diagramma di flusso dell’EXergia nella trasformazione in esame identifica un generico processo come “black-box” nel quale confluiscono e si diramano i vari flussi EXergetici. • In ingresso abbiamo i flussi: • Risorsa (F) • Mentre in uscita: • Prodotto utile (P) • Flusso EXergetico non utilizzato (L) • Irreversibilità (D). Torino, 25 Settembre 2009

  18. Analisi EXergetica (6) Indicatore caratteristico: • Efficienza EXergetica Torino, 25 Settembre 2009

  19. Principali novità significative alla metodologia Uso della struttura di calcolo propria della Teoria del Costo EXergetico per eseguire l’analisi ENergetica TTW Uso della grandezza EXergia per la ripartizione dei carichi ambientali. Per i componenti che riversano verso l’esterno due o più prodotti ENergetici come per esempio il caso di un sistema di cogenerazione, lo studio ha proposto il calcolo del costo ambientale dei prodotti ENergetici attraverso degli indici di attribuzione della CO2 in base ad un fattore peso che tiene conto dell’EXergia Torino, 25 Settembre 2009

  20. Fonti WTWEN • WTTEN : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di: EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/ Joint Research Center-European Commission/ Conservation of Clean Air and Water in Europe) • Attraverso un certo numero di percorsi il combustibile in esame può essere prodotto a partire da diverse fonti energetiche primarie. • Ciascun percorso è composto da una serie di processi utili alla produzione del combustibile finito, reso disponibile alla tecnologia. • Un percorso completo è perciò una combinazione e una successione di processi. • TTWEN : Calcolati attraverso la Teoria del Costo EXergetico modificata Torino, 25 Settembre 2009

  21. Note sulla Teoria del Costo EXergetico Allo scopo di formalizzare una procedura rigorosa per l’assegnazione di un indice TTWEN ai flussi in uscita di un componente a più prodotti è stata applicata con le opportune modificazioni La Teoria del Costo EXergetico La Teoria del Costo EXergetico rappresenta una procedura di assegnazione dei costi dei flussi energetici del sistema nell’ambito dell’Analisi Termoeconomica. L’Analisi Termoeconomica è una disciplina che ha l’obiettivo di attribuire un costo ad ogni flusso di sistema per valutare le prestazioni del sistema stesso Torino, 25 Settembre 2009

  22. Note sulla Teoria del Costo EXergetico La Teoria del Costo Exergetico sviluppa il concetto di costo exergetico di un flusso di exergia: è la quantità di exergia che deve essere spesa nel sistema per ottenere il determinato flusso di exergia considerato Il costo exergetico unitario del flusso considerato rappresenta il costo exergetico del flusso per unità di exergia del flusso stesso Torino, 25 Settembre 2009

  23. EQUAZIONI DI BILANCIO L’equazione di bilancio del flusso exergetico applicata ad un sistema con m componenti collegati tra di loro e con l’ambiente esterno da n flussi L’equazione di bilancio del costo exergetico per il sistema assume la forma Le equazioni ausiliarie di tipo lineare L’insieme delle equazioni fondamentali e di quelle ausiliarie porta al sistema Torino, 25 Settembre 2009

  24. DETERMINAZIONE TTWENERGETICO CON SISTEMI MULTI-PRODOTTO Ragionando in termini di costo energetico la procedura di assegnazione dei costi exergetici è stata applicata sostituendo al concetto di costo exergetico il concetto di costo energetico per passare al costo energetico unitario che è stato interpretato come il parametro TTWEN costo energetico unitario Torino, 25 Settembre 2009

  25. Fonti WTWAMB • WTTAMB : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di: EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/ Joint Research Center-European Commission/ Conservation of Clean Air and Water in Europe) • TTWAMB : fattori di emissione caratteristici degli impianti Torino, 25 Settembre 2009

  26. Caso studio Il Quartiere: Superficie: 100.000 m2 Popolazione: 2.500 abitanti Fabbisogni termici: 7000 MWh/y Fabbisogni elettrici: 2000 MWh/y Torino, 25 Settembre 2009

  27. Caso studio: Scenario base (1) Caldo Il modello ed i suoi componenti Freddo Elettricità caldaia Componente 1: una caldaia a condensazione e due caldaie a gas; Componente 2: chiller a compressione Componente 3: co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento; Componente 4: Moduli fotovoltaici chiller cogeneratore chiller Elettricità Solare Gas Naturale fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

  28. Caso studio: Scenario base (2) Descrizione dei flussi ENCAL Flussi in entrata: Gas Naturale: La conversione in flusso exergetico avviene utilizzando il suo potere calorifico inferiore (PCI) Flussi in uscita: Flusso di Calore: L’exergia termica associata ad un flusso di calore è proporzionale al flusso secondo un fattore funzione della temperatura Energia Elettrica: Il flusso di exergia è coincidente con il flusso di energia trattandosi di una energia di tipo elettrico-meccanico ENNG Componente ENELE EXCAL EXNG Componente EXELE Torino, 25 Settembre 2009

  29. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base(3) Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW) 7722 7722 900 6178 caldaia caldaia 476 100 40 100 chiller chiller 2517 2517 970 1168 234 970 217 27 cogeneratore cogeneratore chiller chiller 375 375 60 60 fotovoltaico fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

  30. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (4) Rendimenti energetici ed exergetici • Efficienza energetica • Efficienze exergetiche Torino, 25 Settembre 2009

  31. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base(5) Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW) 7722 7722 900 6178 caldaia caldaia 476 100 40 100 chiller chiller cogeneratore 2517 cogeneratore 2517 970 1168 234 970 217 27 chiller chiller 375 375 60 60 fotovoltaico fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

  32. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base(6) Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti chiller caldaia cogeneratore fotovoltaico chiller Torino, 25 Settembre 2009

  33. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (7) Analisi WTWENERGETICA Fabbisogno finale di energia primaria Torino, 25 Settembre 2009

  34. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (8) Analisi WTWENERGETICA MWh WTW (MWhPR) Torino, 25 Settembre 2009

  35. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (9) Analisi WTWENERGETICA MWh Torino, 25 Settembre 2009

  36. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (10) Analisi WTWAMBIENTALE Torino, 25 Settembre 2009

  37. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (11) Analisi WTWAMBIENTALE t(CO2)/y WTW [t(CO2)] Torino, 25 Settembre 2009

  38. Caso studio: Scenario base (12) Considerazioni scenario base: L’analisi dello scenario di riferimento (indicatore scelto, rendimento exergetico) mette in evidenza le criticità del caso base in termini di efficiente sfruttamento delle risorse primarie: la maggiore criticità (maggiori irreversibilità) sono associate al componente caldaia; si suggerisce la sostituzione del componente costituito dalla caldaia con un nuovo componente integrato costituito da cogeneratore + pompe di calore. Si propone uno scenario alternativo Torino, 25 Settembre 2009

  39. Caso studio: Scenario alternativo (1) Caldo Freddo Elettricità Il modello ed i componenti cogeneratore Elettricità pompe di calore Componente 1: Co-generatore; Componente 2: Pompe di calore Componente 3: chiller a compressione Componente 4: co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento; Componente 5: Moduli fotovoltaici chiller cogeneratore chiller Gas Naturale Elettricità Solare fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

  40. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario alternativo (2) Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti Torino, 25 Settembre 2009

  41. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario alternativo (3) Efficienze energetiche ed exergetiche Torino, 25 Settembre 2009

  42. ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo(4) Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti pompe di calore cogeneratore cogeneratore chiller fotovoltaico chiller Torino, 25 Settembre 2009

  43. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario alternativo (5) Analisi WTWENERGETICA MWh WTW (MWhPR) Torino, 25 Settembre 2009

  44. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario alternativo (6) Analisi WTWENERGETICA MWh Torino, 25 Settembre 2009

  45. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario alternativo (7) Analisi WTWAMBIENTALE t(CO2)/y WTW [t(CO2)] Torino, 25 Settembre 2009

  46. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Confronto scenari Fabbisogno finale energia primaria Totale CO2 emessa Rendimento eXergetico totale Cavour, 6 Marzo 2009

  47. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Conclusioni e obiettivi dello studio (1) • Il lavoro mira a fornire indicazioni di tutela ambientale e indirizzi per il governo del territorio tramite suggerimento di interventi nei processi di produzione e gestione sostenibile dell’energia • La scelta del sistema oggetto di studio, la città, appare la più appropriata in quanto centro utile alla ricerca e alla applicazione di soluzioni atte a ridurre il nostro impatto ambientale e diminuire le emissioni da gas serra • Lo studio si propone di evidenziare i punti di forza e di debolezza di sistemi energetici urbani di grandi dimensioni al fine di identificare le necessità, i rischi e le opportunità per il futuro degli stessi Torino, 25 Settembre 2009

  48. Tabella 1: Scenario base • ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Conclusioni e obiettivi dello studio (2) • In conclusione questo lavoro ha raggiunto gli obiettivi prefissati : • Sono state analizzate le principali caratteristiche dei sistemi energetici urbani • E’ stata approfondita una metodologia per lo studio dei suddetti sistemi • E’ stato sviluppato un caso studio che ha una caratteristica di replicabilità fondamentale per applicazioni reali dei metodi a realtà metropolitane più o meno estese e complesse; tale lavoro richiede una fase necessaria di acquisizione dei dati energetici e tecnologici, e una fase di elaborazione dei dati e di analisi dei risultati Torino, 25 Settembre 2009

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