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Rame, risparmio energetico
ed energie rinnovabili Istituto Italiano del Rame
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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
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1. Il rame: proprietà tecnologiche
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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
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Conduttività termica del rame
Metallo Conduttività in W/(m*K)
Conduttività 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
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Conducibilità elettrica del rame
Metallo Resistività in Ω*mm2/m
Conducibilità 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
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2. Il rame per le energie rinnovabili
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Il rame e il risparmio energetico
Alta conducibilità
elettrica e alta
conduttività termica
Impianti
efficienti
Risparmio
energetico
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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
biocombustibili
Generatori, cavi
Idroelettrica Generatori, trasformatori,
Maree cavi generatori, cavi per raccolta e trasmissione di
energia
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3. Il rame per l’energia eolica
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Energia eolica
In una turbina da 1MW: da 3 a 4 tonnellate
di rame
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Energia eolica
Generatore:
avvolgimenti di
rame
Cavi di potenza in
rame
Trasformatore:
avvolgimenti di
rame
Stazione di
trasmissione:
avvolgimenti di
rame
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4. Il rame per l’energia solare termica
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Il rame negli impianti del solare termico
Immagine da: AmbienteItalia: “Impianti solari termici -
Manuale per la progettazione e costruzione”
Circuiti di
collegamento
Collettori
Accumuli
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Maximum 2 lines Il rame negli impianti del solare termico:
i collettori
Conduttività Resistenza alle alte temperature
Trattamenti chimici di annerimento Giunzioni con le piastre sottili
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Maximum 2 lines Il rame negli impianti del solare termico:
i circuiti di collegamento
Tubi WICU® Solar Duo, da KME
Resistenza alle alte T
Superficie interna liscia
Diametri minori
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Maximum 2 lines Il rame negli impianti del solare termico:
i serpentini degli accumuli
Immagine da presentazione SolarPraxis: “Impianti
solari termici - Corso per installatori”
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Tetto energetico:
la struttura (Tecu® Solar Roof)
TUBO DI MANDATA
SUPERFICIE CAPTANTE IN
LAMIERA DI RAME
MODULO CAPTANTE IN
LAMIERA DI RAME
SERPENTINA DI RAME A
SEZIONE OVOIDALE
TUBO DI RITORNO
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Tetto energetico
Sistema in moduli
Varie finiture
Integrazione con la copertura
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Tetto energetico:
residenza “I fenicotteri” (Cagliari)
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Tetto energetico:
Dynamo Camp (Limestre, PT)
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Tetto energetico:
villa privata (Arona, NO)
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Facciata energetica:
piscina a Pori (Finlandia)
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Maximum 2 lines 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
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Maximum 2 lines 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
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5. Il rame per l’elettricità
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Motori elettrici:
efficienza = risparmio
da: S.Vignati, E.Ferrero, “I motori elettrici ad alta efficienza”
Esempio:
motore da 15kW
costo di 520 €
3500 h/anno
10 anni,
En.el. 0,07€/kWh
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.
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.
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.
Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
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”
Gli investimenti necessari (rame in
più e le apparecchiature) sono
compensati dai risparmi ottenuti.
Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
Ritorno dell’investimento (payback) Da 3 mesi a 3 anni
Importazioni combustibili fossili - 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”
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 over 500 kg of CO2 eq
emissions in this particular
application.”
H. De Keulenaer: “Ecosheet – 1,6 MVA industrial transformer design
with increasing efficiency”
Classe Rame (kg) CO2 (t)
AA’ 505 897
CC’ 725 683
C-Amorphous 1225 522
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
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6. Il rame e i pannelli radianti
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Il calore viene fornito
per irraggiamento dal
pavimento o dalla
parete
Immagine da: KME Solar
I pannelli radianti
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UNI EN 1264-2, prospetto A.15
Per un materiale, il dato più importante è la conduttività termica
Pannelli radianti:
la UNI EN 1264-2
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
Tabella tratta da: “Impianti termici di benessere”, di S.
Gioria. pagg. 30-32.
Passo (cm) Rame (W/m2) Pex ( W/m2) differenza
5 127 118 + 7%
10 122 108 + 12%
12 120 104 + 15%
15 116 98 + 18%
20 108 88 + 22%
25 100 79 + 26%
30 92 71 + 29%
Pannelli radianti, l’influenza della tubazione:
resa termica del pavimento
Pavimento: parquet
T ambiente: 20°C
T media acqua:
40°C
Si considera la
soletta classica,
con 3 cm di
isolante
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Passo maggiore
meno metri di tubo
Sistema ModulRadiant®
Meno curve
meno perdite di carico
Dilatazione termica minore
No additivi per il cemento
Pannelli radianti
Vantaggi del tubo di rame
Cattedrale di Lodi
Impianto a pannelli a pavimento
installato nel 1964.
Oltre 5.800 metri di tubo di rame.
Pannelli radianti
Durata del tubo di rame
Sede Naturalia-BAU s.r.l.,
Merano (BZ)
Arch. Dietmar Dejori, 2008
E’ il primo edificio commerciale
a emissioni zero
Pannelli radianti
Impianti a parete
Fabbisogno energetico:
7,44 kWh/m² (CasaClima ORO)
• Impianto geotermico
• Impianto fotovoltaico
• Pareti e tetti coibentate
• Finestre a tre strati
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7. Il rame e la geotermia
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Immagine da: www.sofath.com
La geotermia
Serpentine interrate
“prelevano” il calore
del terreno per
riscaldare la casa.
In estate l’impianto
può essere usato per
il raffrescamento.
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Tecnologia Sofath, gamma Caliane dex
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
Dati tratti da presentazione tecnica Sofath
Confronto: tecnologia DEX/acqua glicolata
Modello Caliane 15.10: Termeo 14 Cap.:
Descrizione Pompa di calore, tubo
in rame
Acqua glicolata, tubo in
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
occupata
270 m2 450m2
Resa 42,37 W/m2 23,42 W/m2
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.
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8. La pista di pattinaggio a Katrineholm
Una pista di ghiaccio per pattinaggio
consuma in media 1.000-1.500 MWh/anno.
Pista di pattinaggio a Katrineholm
Per minimizzare i costi di gestione, a
Katrineholm (Svezia) hanno scelto un
impianto di raffreddamento con CO2 come
fluido refrigerante e tubi di rame
Pressione di lavoro: 40 bar.
Scelta tra tubi di rame e acciaio
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.
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
Pista di pattinaggio a Katrineholm
Il tubo
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)
Pista di pattinaggio a Katrineholm
calcoli numerici (tubi, passo, portata)
Tubo Trasferimento di calore, in W/m2
50 100 150 200 250 300
Rame ½’ con
rivestimento PE
-6,03 -7,77 -9,50 -11,24 -12,97 -14,71
Rame ½’ senza
rivestimento PE
-5,87 -7,46 -9,04 -10,62 -12,20 -13,79
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
100 W/m2,
100 mm
Pista di pattinaggio a Katrineholm
caduta di temperatura nei materiali del tubo
Dentro la parete in rame (spessore 0,85 mm) 0,001°C
Dentro la pellicola PE (spessore 0,45 mm) 0,31°C
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 €)
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
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9. Rame e risparmio energetico: approfondimenti e bibliografia
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
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)
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)
Via dei Missaglia 97 - 20142 Milano.
Tel.: 02 89 30 1330 – Fax: 02 89 30 1513
info@copperalliance.it - www.copperalliance.it
Agosto 2012