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Gestione e sostenibilità in cantina: consumi idrici ed energetici

Prof. Riccardo Guidetti, dott. Roberto Beghi,

dott.ssa Valentina Giovenzana

Riccagioia, 11 febbraio 2014

[email protected]

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Indice• Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità

• L’impiego dell’energia solare –applicazioni

• La pompa di calore –applicazioni

Riccagioia, 11 febbraio 2014Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali

Area INGEGNERIA

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 undocumento rilasciato nel 1987 dalla Commissione mondiale sull’ambiente e losviluppo (WCED) in cui, per la prima volta, viene introdotto il concetto disviluppo sostenibile. Il nome viene dato dalla coordinatrice Gro HaarlemBrundtland che in quell'anno era presidente del WCED ed avevacommissionato il rapporto.La definizione, come si può vedere, non parla propriamente dell'ambiente inquanto tale, quanto più ci si riferisce al benessere delle persone , e quindianche la qualità ambientale; mette in luce quindi un principale principio etico:la responsabilità da parte delle generazioni d'oggi nei confronti dellegenerazioni future, toccando quindi almeno due aspetti dell'ecosostenibilità:ovvero il mantenimento delle risorse e dell'equilibrio ambientale del nostropianeta.

Sviluppo Sostenibile: una definizione


Area INGEGNERIA

Sostenibilità


Area INGEGNERIA

Sostenibilità

Sostenibilità economica: intesa come capacità di generare redditoe lavoro per il sostentamento della popolazione.Sostenibilità sociale: intesa come capacità di garantire condizionidi benessere umano (sicurezza, salute, istruzione) equamentedistribuite per classi e genere.Sostenibilità ambientale: intesa come capacità di mantenerequalità e riproducibilità delle risorse naturali (velocità diproduzione adeguata; no effetto accumulo!)Sostenibilità istituzionale: intesa come capacità di assicurarecondizioni di stabilità, democrazia, partecipazione, giustizia.

L'area risultante dall'intersezione delle quattro componenti,coincide idealmente con lo sviluppo sostenibile.


Area INGEGNERIA

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.


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La Cantina: una visione di sistema

CANTINA

UVA

VINOR

. aer

ifor.

Personale

Bott., Tappi, SO2, ecc.

EnergiaR

. liq

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R. s

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Area INGEGNERIA

La Cantina: una visione di sistema

Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA

La gestione di unsistema complesso(diversi input edoutput) richiede unosforzo maggioreper mantenere unelevato livello disostenibilità


Area INGEGNERIA

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


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Perché risparmiare energia?

I problemi ambientali causati dalle emissioni ecces sive 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!

Dipendenza energetica estera e conseguente vulnerabi lità a seguito delle continue oscillazioni di prezzo sempre molto alte che

portano ad una riduzione di competitività industrial e sul mercato globale

•Forte produzione di energia elettrica da combustibil i fossili che si riflette negativamente su emissioni di inquinanti

kg di CO 2 emessa = energia elettrica consumata kWh * 0.485 kg CO2/kWh


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BAT Best Available TechniquesIspirati 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

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.


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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.


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…Il settore enologico: qualche dato

L’elettricità …Considerando una produzione annua pari a 50 milioni di Hl ed unconsumo complessivo pari a circa 70 kWh/Hl, si arriva a stimare unconsumo di energia elettrica per tutto il comparto pari a 0,42 tep (1tep = 107 kcal).Si consideri che tutto il settore agroalimentare ha una richiesta annuapari a circa 3700 ktep e che il settore vino produce un fatturato che ècirca il 7÷7,5 % rispetto a tutto il comparto (dati ISMEA)

…e l’acquaSe si considera un dato medio pari a 10 LH2O /Lvino si ha unconsumo idrico di settore pari a circa 5000 milioni di litri di acqua.Il consumo medio europeo è pari a 180 L/persona, pertanto tutto ilsettore enologico consuma l’acqua necessaria per una media cittàitaliana (circa l’equivalente di 75.000 persone).


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I progetti di analisi di processo:

•Il progetto A-POWER ed il progetto CHANGE: progettifinalizzati ad identificare i consumi energetici delle principalifiliere agroalimentari.•Enti promotori : Camera di Commercio di Milano, ComunitàEuropea

Il progetto S.T.E.P. (Sustainable Technology for EconomicProcessing) : progetti finalizzati ad identificare i consumiidrici delle principali filiere agroalimentari.Enti promotori : Comunità Europea


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Dove si utilizza l’energia elettrica nell’industriaagroalimentare?

Energia Elettrica

Sistemi di refrigerazione60%

Funzionamento impianti40%

Energia Elettrica

Sistemi di refrigerazione90%

Funzionamento impianti10%

In generale :

Nel settore enologico :


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Come razionalizzare i consumi: il controllo

• Individuare i costi energetici delle singole fasi p roduttive• Valutare possibilità di risparmio e di recupero ene rgetico

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


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Strumenti disponibili

ANALISITEORICOSPERIMENTALE

Valutazione dei dati di targae stima dei tempi di

funzionamento

EFFETTIVO IMPIEGO DEL COMPRESSORE DI UN FRIGORIFERO

6

8

10

12

14

16

18

genn

aio

febb

raio

mar

zo

aprile

mag

gio

giugn

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luglio

agos

tose

ttem

bre

otto

bre

nove

mbr

edi

cem

bre

h/gi

orno

1) valutazione deitempi

2) valutazione dei consumi energetici

3) Livelli di potenza

ANALISISPERIMENTALE

consumo energetico elettrico kWh (Uboldi)

0

10000

20000

30000

40000

50000

Genna

ioFeb

braio

Mar

zoApr

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aggio

Giugno

Lugli

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Novem

bre

Dicem

bre

kWh

0

20

40

60

80

100

120livello di potenza kW (Uboldi)

kW


Area INGEGNERIA

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


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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


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Risultati: I consumi elettrici

La modellazione del processo

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

A B C

Pot

enza

(kW

)

Potenzamedia (kW)

Potenzavendemmia(kW)

40%

70%

39%

L’analisi delle potenze

020406080

100120140160180

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mesi

Po

ten

za m

ax k

W


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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);


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Risultati: I consumi idrici

FASI DILAVAGGIO

VOLUME CICLI

(n)

QUANTITA’ STIMATA

(m3)

CONSUMO ANNO (m3)

%

Cassette - 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

Pompe e Tubi 12 1055,25 1055,25 30

TOTALE 3518,25 100

Le fasi di lavaggio


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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.


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L’automazione…..

OrdineAttributo sostituito

Esempio

0 Nessuno Utensili manuali

1 Energia Utensili motorizzati a controllo manuale (trapano hobby)

2 Destrezza Automazioni a ciclo singolo (pressa)

3 Diligenza Automazione a ciclo ripetuto (macchine transfer)

4 Giudizio Controllo a ciclo chiuso (controllo livello)

5 Valutazione Capacità di ottimizzazione del ciclo (macchine con logiche adattive)

6 Apprendimento Limitate capacità di auto-programmazione7 Ragionamento Capacità di ragionamento induttivo8 Creatività Capacità di creare manufatti originali

9 Dominio (macchine-uomo!?!?)

Amber e Amber ne "Il progresso dell'automazione" (1 962), hanno definito l'automazione come la tecnologia necessaria per realizzare macchi ne 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:


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Il controllo automatico dei consumi elettrici

Acquisto sistema: 7.000 €(16 punti controllati)Installazione 3.000 €

Riduzione picchi: 6.875 €(35 %)

Riduzione consumi: 800 €

Pay Back: 1,3 anni


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Il controllo della temperatura…


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La gestione automatica in pressatura

Da F. Pezzi


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La gestione delle basse pressioni per ottimizzare l’estrazione

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

……ed estrarre sottovuoto

Da F. Pezzi


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L’automazione ha permesso di inertizzare e raffreddare

direttamente in pressa

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

Il controllo automatico ha portato a svilupparepresse continue ed ad

azione “delicata”

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

L’ultima novità: Il vecchio torchio

si rinnova

Da F. Pezzi


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Tecnologie speciali per l’estrazioneProcesso di disgregazione cellulare

Trattamento del pigiatodiraspato con gas inerte(CO2 o N2) a 10-18 bar per15-25 s

Decompressione istantaneacon espansione del gasdisciolto che lacera lemembrane cellulari

Fuoriuscita della faseliquida della polpa senzalacerazione delle bucce

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

Tecnologie speciali per l’estrazioneTrattamento con azoto liquidoTecnologie speciali per l’estrazioneTrattamento con azoto liquido

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

Una nuova proposta di macerazione pneumocarbonica

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

La termovinificazione: un esempio di controllo avanza to

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

Il controllo permette di limitare i coadivanti della filtrazione

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

Il controllo permette di limitare i coadivanti della filtrazione anche tramite

sistemi basati sulla centrifuga

Da F. Pezzi


Area INGEGNERIA

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


Area INGEGNERIA

70 W/m2 assorbiti dall’atmosfera

80 W/m2 riflessi e assorbiti dalle nuvole

L’energia solare è importante?


Area INGEGNERIA

0

50

100

150

200

250

Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

irra

ggiament

o or

izzo

ntale (W

/m2)

Monte Rosa 175 W/m2

Lampedusa 210 W/m2

Bergamo 142 W/m2

142 W/m2 valore medio

Quanta energia disponibile?


Area INGEGNERIA

Es: Bergamo = 142 W/m2 o (J/s)/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 petrolio107 kg petrolio/m2

<30 m2 di superficie irraggiata

(Energia al secondo per m2)

Quanta energia disponibile ?


Area INGEGNERIA

L’intero fabbisogno energetico nazionale corrisponde all’energia solare incidente su un’area di

36 km x 36 km

Quanta energia disponibile ?


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in energia elettrica mediante pannelli fotovoltaici

La conversione dell’energia solare

in calore mediantepannelli collettori


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I pannelli fotovoltaici producono elettricità

• La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente l'energia solare inenergia elettrica attraverso l’effetto fotovoltaico, ossia la proprietà di alcuni materialisemiconduttori 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 incorrente continua, normalmente insufficiente per gli usi comuni. Più celle sono collegateelettricamente e incapsulate in una struttura a formare il modulo.

• Il modulo è la componente base commercialmente disponibile. Più moduli, collegati in serie e inparallelo, 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 generatadalle celle in corrente alternata, direttamente utilizzabile sul posto o riversabile in rete.

Fonte; GSE


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Polo positivo

Lacune

Radiazione solare

Fotoni

Corrente di elettroni

n-Si

p-Si

Corrente di ritorno Polo negativo Elettroni liberati

Energia elettrica

I pannelli fotovoltaici producono elettricità

• due sottili strati di semiconduttore (es. silicio) opportunamentetrattati formano un polo positivo e negativo

• la radiazione solare incide sulla cella e libera gli elettroniall’interno

• gli elettroni attratti dalla faccia positiva scorrono nel circuitoesterno generando elettricità


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Si-policristallinorendimento 12%

Si-monocristallino rendimento 18%

Si-amorfo rendimento 6 %

CIGS rendimento 10%

Rendimenti massimi ottenuti in prototipi di laboratorio

12% Si-amorfo

18% CIGS

20% Si-policristallino

25% Si-monocristallino

26% InGaAs

39% Multigiunzione

Diversi tipi di pannelli fotovoltaici

Sistemi commerciali


Area INGEGNERIA

Diversi tipi di pannelli fotovoltaici

Si-policristallinorendimento 12%

Si-monocristallino rendimento 18%

Si-amorfo rendimento 6 %

CIGS rendimento 10%

• investimento necessario: 4000-6000 €/kW ;

durata: 25 anni

• produzione di Energia Elettrica accumulabile

mediante batterie o riversabile in rete

• integrazione/sostituzione fornitura elettricità

• forme di incentivazione a supporto

dell’investimento (ITALIA: “conto energia”)

• tempi di ritorno dell’investimento: 10-12 anni

circa


Area INGEGNERIA

Applicazioni in agricoltura

Elettrificazione di unità isolate (es. alpeggi)

Aziende a emissioni zero


Area INGEGNERIA

Vantaggi e possibilita’ di impiego

VANTAGGI1) assenza di parti meccaniche in movimento (ridotta manutenzione, vita utile prolungata)2) fonte energetica gratuita, inesauribile e disponibile quasi ovunque3) 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

Istituto di Ingegneria Agraria - Milano

MASSIMO IRRAGGIAMENTO SOLARE

IMPIANTO FOTOVOLTAICOORIENTATO VERSO SUD,

con INCLINAZIONE DI CIRCA 30°°°°SULL’ORIZZONTALE

ORIENTAMENTO VERSO EST O OVEST: -10%

INCLINAZIONE VERTICALE (facciate fotovoltaiche)

ORIENTAMENTO A SUD: –30%ORIENTAMENTO A EST O OVEST: -45%

CAMPO FV

TETTO FV

Sovraccarico: 15 kg/m2


Area INGEGNERIA

Fv integrato negli edifici

POTENZIALITA’ TEORICA FV IN ITALIA

TETTI : 370.000.000 m2

(orientati verso Sud, Est o Ovest)

Sulla base di un consumo annuo di energia elettrica per famiglia di

3500-4000 kWh/anno

FABBISOGNI SODDISFATTI PER

30 milioni di famiglie!

Istituto di Ingegneria Agraria - Milano

FACCIATE : 200.000.000 m2

(orientati verso Sud, Est o Ovest)

TETTO FV

FACCIATA FV


Area INGEGNERIA

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 ItaliaTipologie impianti in esercizio.

Numero di impianti

6%

33%

61%

Integrati

Parzialmente integrati

Non Integrati

Tipologie impianti in esercizio.Potenza installata (MW)

38%30%

32%

Integrati

Parzialmente integrati

Non Integrati

Tipologie di impianti FV in esercizio [Fonte: GSE, dati al 30.09.2010]

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)

Un po’ di storia recente…la diffusione


Area INGEGNERIA

Diffusione impianti e potenza installata a fine 2012. (Fonte: GSE, maggio 2013)



Area INGEGNERIA

Fonte; GSE

Nel 2012 la produzione degli impianti fotovoltaici in Italiaha raggiunto 18.862 GWh con un incremento del 75%rispetto all’anno precedente.In soli sei anni, la produzione è aumentata di circa 485volte. Oggi, tra le fonti rinnovabili, la fonte solare èseconda solamente alla fonte idraulica.



Area INGEGNERIA

Distribuzione regionale degli impianti a fine 2012. (Fonte: GSE, maggio 2013)



Area INGEGNERIA

Riduzione prevista degli incentivi nel periodo2013-2016

Tariffe 2013. E’ stata introdotta una tariffaonnicomprensiva e una tariffa “premio” perl’autoconsumo dell’energia prodotta con FV

Tariffe 2012. Riduzione tariffe rispetto al 2011

Il IV Conto Energia(entrata in vigore 1 giugno 2011)

Un po’ di storia recente…gli incentivi

ma poi…

Il quarto conto energia approvatoaveva rivisto le tariffeincentivanti, abbassandole, mamantenendole elevate per i piccoliimpianti.Tariffa incentivante riconosciutaper 20 anni.


Area INGEGNERIA

…“Il Quinto Conto Energia cessa diapplicarsi decorsi 30 giorni solari dalladata di raggiungimento di un costoindicativo cumulato degli incentivi di 6,7miliardi di euro l’anno”…Limite raggiunto il 6 giugno 2013.

Riduzione prevista degli incentivi nel periodo2013-2016

Tariffe 2013. E’ stata introdotta una tariffaonnicomprensiva e una tariffa “premio” perl’autoconsumo dell’energia prodotta con FV

Il V Conto Energia(entrato in vigore il 27 agosto 2012… ma

estinto il 6 luglio 2013)

Un po’ di storia recente…gli incentivi

Fine incentivi per il fotovoltaico!


Area INGEGNERIA

…e ora…

• Costo dell’impianto: il costo si è ridotto notevolmente(70% in meno negli ultimi due anni; oggi un impianto costa1/6 rispetto al 2005)

• Detrazioni fiscali: non ci sono più incentivi sull’energiaprodotta ma detrazione fiscale del 50% sui costid’acquisto e installazione.

• Efficienza: l’efficienza dei moduli è aumentata neglianni, oggi con mini-inverter a servizio di singole zonedell’impianto l’efficienza può aumentare ancora di più.

• L’industria del FV è ormai abbastanza robusta e maturada non aver più bisogno di fare affidamento su sussidigovernativi per sopravvivere

Conviene ancora?

…sì conviene!


Area INGEGNERIA

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

Applicazione_ obiettivo


Area INGEGNERIA

UtenzaP.

(kW)Ku

n°motori

P.

assorbita

(kW)

Ore/

giorno

Giorni/

mese

kWh/

mese%

Impianto

frigorifero13 0,8 4 41,6 10 30 12480 65

Scambiatore

di calore26,9 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

Illuminazione

esterna5 0,15 3 30 67,5 0,4

Climatizzatore 1 1 8 8 7 30 1680 8,8

Consumo calcolato energia elettrica 19202 100

Consumi utenze elettriche – settembre 2008

Applicazione_ analisi aziendale


Area INGEGNERIA

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

Consumi annuali Emissioni Bottiglie prodotte/anno

Consumo specifico

Emissioni CO2 specifiche

183903kWh

74,11t CO2 annuali

320000 0,57 kWh/bottiglia

0,23 kg CO2/bottiglia

SCHEMA RIASSUNTIVO DATI AZIENDALI

Applicazione_ analisi documentale


Area INGEGNERIA

� 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)

Applicazione_ Installazione impianto fotovoltaico parzialmente integrato su tetto a falda


Area INGEGNERIA

Applicazione: Esempio di realizzazione in vigneto


Area INGEGNERIA

copertura trasparente

uscitafluido

telaio

circuito di riscaldamento

lastra assorbimento

isolante termico

ingressofluido

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


Area INGEGNERIA

I collettori ad acqua

• 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

• tempi di ritorno dell’investimento: 3-4 anni circa

Accumulo


Area INGEGNERIA

Olio diatermico

Acqua refrigerata7 - 12 °C

280 °C

Max 240 °C

Campo solare~ 50 m^2 per HP

Accumulatore di calore

Eventuale integrazione Caldaia metano

Min 200 °C

Presente e futuro della tecnologia Robur


Area INGEGNERIA


Area INGEGNERIA

Cos’e’ la pompa di calore?

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un fluido a temperatura piùbassa (SORGENTE FREDDA) a un altro a temperatura più alta (SORGENTE CALDA)

SORGENTEFREDDA

SORGENTECALDA

POMPA IDRAULICA

TRASFERIMENTO DI CALORE


Area INGEGNERIA

una valvola di espansione,

regolatrice o laminatrice

un compressore

due scambiatori di calore

Fluido refrigerante o frigorigeno

Fluidi puri:R170 etano

R290 propano R600 butano

R500 miscele azeotropicheR400 miscele zeotropiche

Altri:R744 anidride carbonica

R717 ammoniacaBanditi:

CFC, HCFC

Da cosa è composta la pompa di calore?


Area INGEGNERIA

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 ilcalore latente, è:

Q = Cs⋅ m⋅∆T + mrdove “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

Concetti base


Area INGEGNERIA

Cs ghiaccio = 0,5 kcal/kg ⋅°CCs acqua = 1 kcal/kg ⋅ °C Cs vapore = 0,48 kcal/kg ⋅°C

∆H = Cs ⋅ ∆T

0 10 90 190 730 739.6ENTALPIA (kcal/kg)

- 20

0 B C

D E

F

100

120

T (°C)

↔ ↔

0,48 ⋅ ∆T (20) = 9,60,5 ⋅ ∆T(20) = 10

↔

1 ⋅ ∆T(100) = 100

ESEMPIO: ACQUA

a pressione

atmosferica

Per capire la quantità di calore che viene trasferi ta…

r di fusione = 80 kcal/kgr di evaporazione = 540 kcal/kg


Area INGEGNERIA

T (°C)

P (atm)

acqua

vapore1

100

Andamento della temperatura dell’acqua al variare della

pressione

Modificando

la pressione dei fluidi frigorigeni

è possibile ottenere

i passaggi di stato

a temperature diverse

e diversi calori latenti

Parametri da valutare nella scelta di un fluido frigorigenoRefrigerante ACQUA

CLORURO

DI ETILEAMMONIACA

ANIDRIDE

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


Area INGEGNERIA

Un fluido frigorigeno, quando transita attraverso le diverse componenti di unimpianto di refrigerazione, modifica la propria pressione (P) ed entalpia (H)

Ciascun fluido è caratterizzato da un proprio diagramma pressione–entalpia che neillustra le proprietà termodinamiche

BC

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(k

Pa

)

TCTB

TA

DE

P1

P2

H1 H2 H3

A

Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno


Area INGEGNERIA

Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno_esempio


Area INGEGNERIA

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.

Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno

Miscela

liquido/vaporeCurva liquido

saturo

Curva vapore saturo

secco

BC

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(kP

a)

TCTB

TA

DE

P1

P2

H1 H2 H3

A

Punto critico


Area INGEGNERIA

B C

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(kP

a)

TCTB

TATD

DE

P1

P2

H1 H2 H3

A CONDENSAZIONE

EVAPORAZIONE

COMPRESSIONE

ESPANSIONE

Come funziona una pompa di calore?


Area INGEGNERIA

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 surriscaldato3. 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)

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)

compressoreD

H3

B C

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(k

Pa)

TCTB

TA

E

P1

P2

H1 H2

ATD

Il compressore


Area INGEGNERIA

condensatore

D

H3

B C

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(k

Pa)

TCTB

TA

E

P1

P2

H1 H2

ATD

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 E3. Viene rimosso il calore latente di condensazione da E ad A a T e pressione (P)

costanti4. 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)

Il condensatore


Area INGEGNERIA

valvola di espansione

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

D

H3

B C

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(kP

a)

TCTB

TA

E

P1

P2

H1 H2

ATD

La valvola di espansione


Area INGEGNERIA

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)

D

H3

B C

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(k

Pa)

TCTB

TA

E

P1

P2

H1 H2

ATD evaporatore

L’evaporatore


Area INGEGNERIA

Impianto frigorifero

Effetto utile o coefficiente di effetto frigorifero o efficienza frigorifera :

ε = Qev/L >1Dove:Qev = calore sottratto dall’impianto frigoriferoL = lavoro compiuto dall’impianto frigorifero per sottrarre calore al corpo, fluido o ambiente destinato a essere raffreddato

Lo scopo del cicloè la sottrazione di calore

dal corpo, dal fluido o dall’ambiente da raffreddare.

L’effetto desiderato quindi è produrre maggior Qev

Pompa di calore

Lo scopo del cicloè il trasferimento di calore

dal corpo, dal fluido o dall’ambienteda riscaldare.

L’effetto desiderato quindi è produrre maggior Qcond

Coefficiente di prestazione della pompa di calore:

COP = Qcond/L = ε + 1Dove:Qcond = calore fornito dalla pompa di calore L = lavoro compiuto dalla pompa di calore per produrre il calore destinato a riscaldare

Differenza tra impianto frigorifero e pompa di calore


Area INGEGNERIA

Il COP della pompa di caloreε 1+

B C

ENTALPIA (kcal/kg)

PR

ES

SIO

NE

(kP

a)

TCTB

TATD

DE

P1

P2

H1 H2 H3

A CONDENSAZIONE

EVAPORAZIONECOMPRESSIONE

ESPANSIONE

ε

COP = Qc /L = (L + Qev)L = L/L + Q ev/L = 1 + ε


Area INGEGNERIA

LO SCOPO E’ IL RAFFREDDAMENTOLa differenza tra l’entalpia del refrigeranteall’entrata e all’uscita dell’evaporatore è il valoredeterminante dell’efficienza frigorifera (H2 - H1).Maggiore è il ∆H, maggiore è ε, miglioreefficienza avrà l’impianto frigorifero.

Prodotti/ambiente da raffreddare

CONDENSAZIONE

EVAPORAZIONE

ES

PAN

SIO

NE

Qcond

L

Qev

Pompa di calore per la sottrazione di calore_esempio


Area INGEGNERIA


Area INGEGNERIA

Pompa di calore_applicazioniSETTORE RESIDENZIALERiscaldamento acqua sanitariaRiscaldamento ambienti

SETTORE INDUSTRIALERiscaldamento acqua sanitariaRiscaldamento ambienti (capannoni, officine, uffici)Produzione acua calda per usi di processoEssiccazioneRiscaldamento contenitoriALIMENTARELavaggio e pulituraPastorizzazioneCotturaSterilizzazione

SETTORE AGRICOLORiscaldamento acqua sanitaria (anche per irrigazione, per scaldare il terreno)Riscaldamento ambienti (sale incubazione e schiusa uova)Conservazione e trasformazione dei prodotti agricoliRecupero di calore nella refrigerazione del latte (raffreddamento del latte munto da 37°C a 4°Cnel lato dell’evaporatore e riscalda acqua di accumulo dal lato del condensatore)Essiccazione cereali e foraggiRiscaldamento serre


Area INGEGNERIA

ESSICCAZIONE

riduzione della concentrazione di acqua nella matrice vegetale

annullamento delle attività microbiologiche ed

enzimatiche

stabilità del prodotto nel

tempo

Il trasferimento di calore induce la perdita di acqua

Il trasferimento di calore_erogazione di calore


Area INGEGNERIA

Pompa di calore per la erogazione di calore_esempio


Area INGEGNERIA

Come si può riscaldare un ambiente?Bruciando combustibile (metano, GPL…) trattasi di un processo di sottrazione di energia

Con resistenza elettrica consumando energia dalla rete

Con pompa di calore prelevando calore a bassa temperatura da unambiente esterno (aria, acqua, terreno) a quello da riscaldaree riqualificandolo, a spese di un lavoro meccanico


Area INGEGNERIA

Vantaggi� Bruciando combustibile (metano, GPL…)

Attingendo cioè calore dall’energia termica liberata per combustione di unasostanza che ha richiesto anni per essere formata. Infatti il calore deriva daun processo di sottrazione di energia in seguito alla rottura dei legami delcombustibile.

� Con resistenza elettricaIl calore è prodotto dal riscaldamento di una resistenza alimentata dalla reteelettrica.Il suo funzionamento implicherà un consumo di corrente elettricaproporzionale alla potenza assorbita dalla resistenza stessa.

� Con pompa di calorePrelevando calore a bassa temperatura da un ambiente esterno (es: aria,acqua) a quello da riscaldare e riqualificandolo, a spese di un lavoromeccanico (che per poter essere erogato necessita di corrente elettrica).La pompa di calore operando a più alto rendimento energetico eriqualificando calore di valore praticamente nullo garant isce risparmioenergetico .


Area INGEGNERIA

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

corrispondenza del condensatore.

La pompa di calore:• Fornisce più energia (calore) di quella elettrica

impegnata per il suo funzionamento(compressore) in quanto estrae caloredall’ambiente esterno;

• Avrà un COP maggiore quanto più bassa è latemperatura a cui il calore viene ceduto (nelcondensatore) e quanto più alta quella dellasorgente da cui viene assorbito(nell’evaporatore);

• La potenza termica resa dipende dallatemperatura alla quale la pompa assorbecalore;

• Esistono diverse tipologie di pompe in funzionedel tipo di sorgente fredda e di pozzo caldo cheutilizzano.

Aria sempre disponibile, ma la sua temperaturavaria, potenza pompa diminuisce con la T dellasorgente

Acqua non risente dellecondizioni climatiche, ma costiaggiuntivi per sistema diadduzione dell’acqua

Terreno ha minori sbalzi ditemperatura, ma applicazionitubature a 1/1,5 m di profondità


Area INGEGNERIA

L’impianto geotermico

Sfruttamento dell’energia termica del sottosuolo


Area INGEGNERIA

Sistemi “open loop ”

Sonde

geotermiche

orizzontali

Sistemi “closed loop”

Sonde

geotermiche

verticali


Area INGEGNERIA

CONDENSAZIONEEVAPORAZIONE

ESPANSIONE

L

Applicazioni


Area INGEGNERIA

LE ESIGENZE

CONTROLLO TERMOIGROMETRICO DELLA BARRICCAIA


Area INGEGNERIA

LE ESIGENZE

IMPIANTO DI REFRIGERAZIONE E RISCALDAMENTO DEI TINI

E CLIMATIZZAZIONE DELLA TINAIA


Area INGEGNERIA

Temperature di riferimento per la fermentazione alcolica

t fin = t ini + 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.


Area INGEGNERIA

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.


Area INGEGNERIA

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;


Area INGEGNERIA


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.


Area INGEGNERIA

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).


Area INGEGNERIA

Esempio dimensionamento cantina Alto Adige

Lagrein Pinot Nero

T arrivo uve: 22°CSuperficie: 3 haResa: 75 q/haQuantità: 225 qT max di ferm. : 26°CResa in vino: 150 hl

T arrivo uve: 15°CSuperficie: 4 haResa: 50q/haQuantità: 200 qT max di ferm. :28°CResa in vino: 130 hl

Superficie vitata totale: 7 ettari.

Cantina situata a Salorno (BZ).



Area INGEGNERIA

Consumi in fermentazione alcolica

Lagrein

18000 WPinot Nero

14153 W

32153 W

Consumi in malolattica

Lagrein

1197 W

Pinot Nero

1026 W

2223 W


Area INGEGNERIA


q = L (tg - tw) / R

460 metri di profondità


Area INGEGNERIA

Vantaggi

• Una sola macchina per riscaldare e

raffreddare;

• Sicurezza (no combustibili);

• Assenza assoluta di emissioni CO2;

• Nessuna manutenzione;

• Durata degli impianti;

• Incentivi statali;

• Diminuzione dei consumi.


• Costo iniziale;

• Possibilità di errato

dimensionamento;

• Scarso numero di progettisti e

difficoltà a reperirli.

Svantaggi


Area INGEGNERIA

Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impianto

Ambiente freddo

Sottrazione di calore

Ambiente caldo

Erogazione di calore

compressore

Fluido frigorigeno


Area INGEGNERIA

Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impiantoGENERATOREIn 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.

Sottrazione di calore

Erogazione di calore

ASSORBITOREIngresso dell’ammoniaca vaporizzata che cede calore all’assorbitore (acqua) che cambia di stato,passando da vapore a liquido diluendosi (acqua + ammoniaca) e quindi la soluzione potrà esserepompata al generatore dove si riscalda grazie al calore derivante da fonte esterna.

Fluido frigorigeno (acqua + ammoniaca)

BILANCIOENERGETICO:qg + qo = qa + qc


Area INGEGNERIA

Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impiantoL’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)


Area INGEGNERIA

Ciclo frigorifero ad assorbimento_il COPAnche 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 COP doppio effetto: 1÷1.3


Area INGEGNERIA

Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’applicazioneGENERATORERecupero da vinacce (q g)

FLUIDO REFRIGERANTEAcqua e Bromuro di Litio

AMBIENTE REFRIGERATOCondizionamento dei tini a 15°°°°C

CALORE EROGATO NELL’AMBIENTEper riscaldamento acqua sanitaria (in caso di trigenerazione )

Ambiente freddo, sottrazione di

calore

Ambiente caldo, erogazione di

calore

Fluido frigorigeno

TRIGENERAZIONEScambiatore

utilizzato per il recuperodi calore derivante dal ciclo frigorifero


Area INGEGNERIA

Ciclo frigorifero ad assorbimento_svantaggi e vantag gi

Vantaggi:

•Ridotti consumi di energia elettrica (il compressore di un ciclo frigorifero a compressioneconsuma di più rispetto alla pompa usata nel ciclo frigorifero ad assorbimento);

•Silenziosità ed elevata affidabilità dei gruppi ad assorbimento e ridotta manutenzionegrazie all’assenza di vibrazioni provocate dal compressore del ciclo tradizionale;

•Impiego di sottoprodotti/residui del processo produttivo come fonte di calore qg per ilgeneratore:

1.Impiego di cascame termico dal processo di lavorazione che altrimenti dovrebbe esseresmaltito;

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).

Svantaggi:

•Alti costi d’impianto;

•Ridotta scelta di taglie;

•Presenza di una torre di raffreddamento per raffreddare la parte di soluzione assorbenteche vaporizza (consumi idrici).


Area INGEGNERIA

Olio diatermico

Acqua refrigerata7 - 12 °C

280 °C

Max 240 °C

Accumulatore di calore

Ev. integrazione Caldaia metano

Min 200 °C

Caldaia a biomasse

Gruppo frigorifero ad assorbimento


Area INGEGNERIA

Pianta Superficie coltivata (ha)

Residuo (t/ha)

Biomassa totale ottenibile (Mt)

Vite 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

Totale 2.555.127 - 5,63

Onde evitare ingenti importazioni dall’estero, è necessario sfruttare

anche le biomasse di tipo residuale che non impegnano terreni agricoli

Disponibilità di biomasse residuali legnose in Italia equivalgono prudenzialmente a

500.000 ha coltivazioni energetiche


Area INGEGNERIA

Potature di vite: produttività e caratteristiche

VitignoProduttività

(t/ha anno sul tal quale)

Umidità(%)*

PCI(kJ/kg s.s.)*

GRECHETTO 6 40 17.400

TREBBIANO 3,6 40 17.600

MERLOT 2,4 44 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


Area INGEGNERIA

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 Italianadi Ingegneria Agraria

Belgirate, 22-24 settembre 2011


Area INGEGNERIA

Consumi energetici in cantina

Processo di vinificazione � elevato consumo dienergia elettrica (EE) per la refrigerazione (EF)(90% circa dei consumi elettrici in cantina):• Fermentazione• Maturazione

REFRIGERAZIONE (EF)

CALDO (ET)

• Riscaldamento locali• Eventuali processi di sterilizzazione

ENERGIA

VINO


Area INGEGNERIA

RefrigerazioneGruppo frigorifero tradizionale (GFT)

Gruppo frigorifero ad assorbimento (GFA)

1. Efficace e affidabile2. Consumo di energia elettrica3. Impiego di gas refrigeranti di sintesi4. IEF = 2,5 – 4

1. Efficace e affidabile2. 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-BrLi4. IEF = 0,6 - 1


Area INGEGNERIA

Compressore

Gruppo frigorifero tradizionale


Area INGEGNERIA

Gruppo frigorifero ad assorbimento


Area INGEGNERIA

Gestione dei residui di potatura

Sarmenti

Recupero

SmaltimentoTrinciatura = 50 €/ha

Valorizzazione Vendita

Basso valore commercialeScarsa qualità

Combustione

ET

2-3 ttq/ha·anno


Area INGEGNERIA

Scopo del lavoro

Analisi preliminare della filiera per la valorizzazione dei residui dipotatura 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

caldoc) Sostenibilità delle filiera “rinnovabile” rispetto a quella tradizionale


Area INGEGNERIA

CANTINAFabbisogni

RESIDUI DI POTATURA

CIPPATO

ET

CALDAIA A CIPPATO

Gruppo Frigoriferoad Assorbimento

Raccolta

Stoccaggio e essiccazione

Cippatura

Caldo (ET)

Refrigerazione (EF)

Gruppo Frigorifero

Tradizionale

EECALDAIA A METANO

ET

Schematizzazione


Area INGEGNERIA

Cantina

CARATTERISTICHE TECNICHE Simbolo Unità GFT GFA

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

6050 €

3380 €

9430 €

60 ha vitati

Recupero sarmenti completamente meccanizzabile

Fabbisogno termico 56400 kWht (Fonti fossili)Caldaia Metano� Caldaia a biomassa

Refrigerazione = 165000 kWhf

GF Tradizionale � GF Assorbimento

Spesa annua per la filiera Tradizionale


Area INGEGNERIA

Caldaia a cippato

HA = 1100 + 300 hηET = 85%

REFRIGERAZIONEPFRIG= 150 kWf

FBFRED=165000 kWhf

Gruppo Frigorifero tradizionale (GFT)PEE = 50 kWe

HA = 1100 hEECONS= 55000 kWhe

IEF = 3

INPCALD

[242000 + 66000 kWh]

6050 €/anno = SPEE

[55000 kWhe]

ET

CALDOFBCALDO=

56400kWht EF

EFET

PET= 187 kWt

PCALD = 220 kWt

Gruppo Frigorifero ad Assorbimento (GFA)

IEF = 0,8HA = 1100 h


Area INGEGNERIA

Costo Biocombustibile

Imballatura Trasporto Stoccaggio Cippatura

35 kW0,85 ha/h16000 €500 kg

20 kW0,35 ha/h

5000 €600 kg

50 kW3,85 ha/h16500 €900 kg

U %45% � 25%

Costo Unità Imballatura Trasporto Cippatura Totale

Economico €/ttq 19,0 44,5 25,8 89,3

€/ha 47,5 111,2 64,6 223,3

Ambientale kg CO2eq/ttq 12,1 9,8 10,8 32,7

kg CO2eq/ha 30,1 24,6 26,9 81,6

PotenzaCapacità operativaCosto d’acquisto

Massa


Area INGEGNERIA

Risultati

6,8 MWh/ha

INPCALD

[242000 + 66000 kWh]

EF36,0 ha

ET9,8 ha

COSTO ECONOMICO(223 - 50 €/ha) · 45,8 ha � 7940 €

COSTO AMBIENTALE (81,6 – 18,8 kg CO2eq/ha) · 45,8 ha � 2,9 t CO2eq

MANCATE SPESE (EE+ET)9430 €

RISPARMIO1490 €

EMISSIONI EVITATE0,713 kgCO2eq/kWhe · 55000 kWhe �39,2 t CO2eq0,313 kgCO2eq/kWht · 56400 kWhe �17,7 t CO2eq

EMISSIONI RISPARMIATE54,0 t CO2eq

SISTEMA DI RIFERIMENTO (Direttiva RED, GL1003 CTI) 0,198 kgCO2eq/MJe per EE; 0,87 kgCO2eq/MJt per ET

2,6 t/ha (U=45%) � 1,9 t/ha (U=25%)PCN = 3,58 MWh/t)

Energia prodotta dal cippato


Area INGEGNERIA

Conclusioni

Sostituzione GFT con GFA accoppiato a caldaia a biomassa:

Modesto risparmio economico soprattutto considerando che gliinvestimenti necessari per la messa in funzionamento delsistema innovativo sono maggiori.

Tecnicamente fattibile, GFA affidabili e disponibilicommercialmente con diverse taglie

Presenti margini per l’ottimizzazione del cantiere di recuperodella biomassa e quindi per un conseguente abbattimento deicosti.

Considerevole riduzione delle emissioni di GHG associate allavinificazione e al soddisfacimento del fabbisogno termico

Attività di marketing (green label, impronta di carbonio, ecc.),

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Area INGEGNERIA

…grazie per l’attenzione