workshop LEAP r2b_09.06.2011

Efficienza nell'uso dell'energia e valorizzazione dei prodotti green
Tecnologie e metodologie gestionali per una concreta prospettiva di sviluppo

R2B - Research to Business, Bologna - 09 Giugno 2011

EFFICIENZA E SOSTENIBILITA’ DEGLI
IMPIEGHI ENERGETICI:
IL CONTRIBUTO DI LEAP

Alberto Sogni

Il Consorzio L.E.A.P.
LEAP (Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza) è un
consorzio nato nel 2005 su iniziativa della sede piacentina
del Politecnico di Milano. 1. Dip. di Energia
2. Dip. di Elettronica e
Informazione
E’ partecipato da: 3. Dip. di Elettrotecnica
4. Dip. di Chimica,
•Polo Territoriale di Piacenza Materiali e Ing. Chimica
del Politecnico 5. Dip. di Ingegneria
Idraulica, Ambientale,
•5 Dipartimenti del Politecnico Infrastrutture Viarie e
del Rilevamento
•Comune di Piacenza
•Provincia di Piacenza
•Fondazione di Piacenza e Vigevano
•a2a
•Iren Ambiente S.p.A.
•Groppalli S.r.l.
•Unical AG S.p.A.

2
A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011

Sede e gruppo di lavoro di LEAP
LEAP ha sede a Piacenza presso l’ex officina trasformatori della Centrale
Emilia, il nucleo storico, risalente agli anni Venti, di un impianto
termoelettrico oggi funzionante a ciclo combinato.
Il gruppo di lavoro è costituito da 18 ricercatori, di cui 10 a tempo pieno,
che operano sotto la guida scientifica dei professori del Politecnico.

LEAP fa parte di:

LEAP è certificato
UNI EN ISO
9001:2008

3

Le attività del LEAP
Ricerca in cinque settori:
1.generazione di energia termica ad alta efficienza;
2.recupero di materia ed energia o combustibili da biomasse, rifiuti e
residui;
3.termoidraulica degli impianti nucleari;
4.tecnologie per lo sfruttamento dei combustibili fossili e cattura della CO2;
5.energie rinnovabili o assimilate.
Consulenza e servizi:
1.analisi e simulazioni di impianti a fonti rinnovabili;
2.prove su impianti: misure di temperatura in camere combustione,
misurazione di particolato fine e nano particelle in atmosfera e in flussi
convogliati, misurazione di concentrazioni di inquinanti in flussi gassosi.

Laboratori sperimentali:
1. Heat_Box: valutazione delle prestazioni di caldaie fino a 100 kW di
potenza e per la taratura di contatori di energia termica di piccola taglia;
2. Wind_Box: prove fluidodinamiche su condotti da fumo per generatori di
calore di piccola e media taglia;
3. CO2_Box: determinazione delle proprietà termodinamiche di miscele a
base di CO2.

4

Attività sperimentali del LEAP
Prove su impianti:

Laboratori sperimentali:

5

Sommario

1.Cogenerazione ed efficienza energetica: considerazioni
introduttive, casi di studio LEAP:
•Prospettive della cogenerazione nella regione Emilia Romagna
•Sviluppo software per la verifica di caldaie a recupero a serpentino
•Risparmiare energia elettrica per consumare e inquinare meno

2.Recupero di materia ed energia da rifiuti e residui:
considerazioni introduttive, casi di studio LEAP:
•Analisi energetica ed ambientale del sistema di gestione dei rifiuti di
Piacenza
•Emissioni di polveri fini ed ultrafini da impianti di combustione
•Centro Studi e Ricerche MatER

3.Tecnologie per la cattura ed il sequestro della CO2:
considerazioni introduttive, attività LEAP:
•Attività modellistiche e sperimentali di CO2_Box
4.Conclusioni

6

Cogenerazione: il principio
COGENERAZIONE = ELETTRICITA’ + CALORE
Ogni ciclo termodinamico che converte calore in elettricità (o lavoro
meccanico) per il Secondo Principio della Termodinamica deve scaricare una
parte del calore introdotto nel ciclo. L’idea base della cogenerazione è
recuperare in parte o totalmente questo calore di “scarto” come effetto
utile.
Alcune definizioni:
•Piccola cogenerazione:
P<1MWel
•Microcogenerazione:
P<50kWel
•Trigenerazione:
produzione contemporanea
di energia elettrica, calore e
freddo
•IRE: indice di risparmio
di energia primaria

Fonte: www.cogen-challenge.org
7

Cogenerazione: esempi di tecnologie

Motore GE Jenbacher J616 GS a Package Ecowill con motore a Package Whispergen con motore
biogas, potenza 2 MWel gas naturale, potenza 1 kWel Stirling, potenza 1,2 kWel

Microturbine a gas Capstone, Modulo PEM Ballard Power System da Macchina frigorifera ad
potenza 30 kWel 250 kWel – Bewag Treptow, Berlino assorbimento Century da 70 kWfr

8

LEAP e cogenerazione: prospettive in Emilia Romagna - 1
Prospettive della cogenerazione nella regione Emilia Romagna:
contratto di ricerca commissionato dalla Associazione Industriali della
Provincia di Piacenza e svolto in collaborazione con DIEM - Università di
Bologna.

•Particolare attenzione a piccola e media industria;
•Analisi energetica, ambientale, economica;
•11 aziende considerate in 6 province, 5 casi di specie di cui si è
valutata la fattibilità tecnico-economica;
•Per tutti i casi ipotesi di motori a combustione interna;
•Impiego di un software sviluppato internamente al Dipartimento di
Energia del Politecnico di Milano.

Richiesta Energetica
PIACENZA PARMA REGGIO RAVENNA MODENA
EUROBOX Distretto di TETRAPAK Cartiera Cartiera FARPRO S.p.A. +
Prosciuttificio
S.p.A. Prosciuttifici S.p.A. (attuale) (Futura) HARIPRO
Richiesta Elettrica [kWhel] 4.492.955 1.954.654 19.546.553 14.874.725 13.341.568 16.676.970 5.103.200

Richiesta Termica [kWhth] 25.761.160 2.304.015 21.760.105 1.887.935 3.335.400 41.692.500 35.367.500

Richiesta Frigorifera [kWhfr] - - - 24.607.238 - - -

9


Indici di Risparmio Energetico Stimati per tutti i casi tipo aziendali
trattati:

IRE [%]

0,4
35% 36% 35% 36%
33% 34%
0,35
29%
0,3

0,25
[%]

0,2

0,15

0,1

0,05

0
EUROBOX Prosc. Distretto TETRAPAK Cartiera Cartiera FAR PRO
S.p.A. singolo (Attuale) (Futura) S.p.A. +
HARIPRO

10

Emissioni in atmosfera potenzialmente evitabili in termini
percentuali di sostanze inquinanti e climalteranti nel caso di
utilizzo di impianti di cogenerazione:

Rapporto Emissioni Evitate / Emissioni Caso Base [% ]

100,00
90,00
80,00 NOx
70,00 CO
60,00 SOx
50,00 CO2
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00

O
a)
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C

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FA

11

Risultati economici:
Caso/provincia Piacenza Parma Reggio Emilia Ravenna Modena

FAR PRO S.p.A. +
EUROBOX S.p.A.

Cartiera (Attuale)

Cartiera (Futura)
Prosc. singolo

TETRAPAK

HARIPRO
Distretto
Nome azienda

Cos Inves
to timento [€] 560.700 137.813 3.804.800 1.435.000 1.307.250 1.680.000 1.043.700
Pay Back Time [anni] 5,1 6,0 10,4 5,3 2,5 2,4 5,0
NPV [€] 268.873 51.018 560.521 647.240 1.626.710 2.142.055 509.975
IRR [%] 31,0 28,0 18,0 30,1 53,3 54,1 31,3
NPV/ Cos Inv. [%
to ] 48,0 37,0 14,7 45,1 124,4 127,5 48,9

•IRR distretto penalizzato dal costo della rete di teleriscaldamento;
•Complessivamente le performance economiche sono favorevoli:
IRR attorno ed oltre il 30%, PB Time attorno ai 5 anni;
•La "buona" cogenerazione comporta, oltre che risparmio di
energia, consistenti riduzioni delle emissioni in atmosfera;
•Ancora molte potenzialità inespresse.

12

Efficienza energetica: principio e vantaggi
EFFETTO UTILE
EFFICIENZA ENERGETICA =
ENERGIA IMPIEGATA
•Tecnologia energeticamente efficiente: permette di ottenere lo stesso
effetto utile (energia meccanica, elettrica, termica…) con un minore
impiego di energia;
•L’Efficienza Energetica si riferisce all’impiego di tutte le forme di energia,
non solo alle Energie Rinnovabili;
•Obiettivi del pacchetto clima 20-20-20;
•Contributo al raggiungimento degli obiettivi al 2020: 17% da FER sul
consumo finale lordo. Grazie all’efficienza si riduce il consumo finale e
quindi la quota di FER, di conseguenza anche i costi di sviluppo FER.

13

Efficienza energetica: potenzialità e tecnologie

Al 2016 riduzione del
9,6% dei consumi
finali rispetto al 2005

Fonte: M.Gallanti, RSE

Attuazione della Direttiva 2006/32/CE attraverso il Piano di Azione per
l’Efficienza Energetica: al 2016 riduzione dei consumi del 9,6% rispetto al
2005 corrispondente a 10,8 Mtep.

14

LEAP ed efficienza: software verifica caldaie - 1
Sviluppo software per la verifica di caldaie a recupero a serpentino:
contratto di ricerca commissionato dalla Azienda Garioni Naval SpA di Castel
Mella (BS).
•Caldaie a recupero del tipo a tubi d’acqua;
•Per la produzione di acqua surriscaldata, olio diatermico o vapore
saturo in configurazione once-through;
•Impiego nell’industria navale e di processo.

Serpentino di una caldaia Incremento dell’efficienza di un generatore di
vapore con l’adozione della caldaia a recupero
come economizzatore; in ascissa il carico del
Fonte: www.garioninaval.com
generatore.
15

LEAP ed efficienza: software verifica caldaie - 2
Portate e
caratteristiche
dei fluidi
Programma di verifica Temperature
Temperature in uscita
Modello matematico per:
in ingresso
1. Calcoli geometrici Pressioni
Pressioni in uscita
2. Equazioni di scambio termico
in ingresso
3. Equazioni di conservazione
Configurazione Potenza termica
4. Correlazioni di scambio termico
geometrica scambiata
5. Correlazioni per le perdite di carico

Confronto risultati software: Uso del software per ottimizzare il progetto:
Confronto fra Risultati di Calcolo della Potenza Scambiata
incremento del 7,7% della potenza scambiata per
Casi ad Olio Diatermico
il modello di caldaia considerato
1200

+17% Portate delle correnti di gas
1000 GMT EG 575
Correlazioni Tubi Rettilinei-
Q Calcoli Software [kW]

800
Banco di Tubi Rettilineo 2,5
-6%
Portate delle correnti [kg/s]
Correlazioni Tubi Elicoidali
600 - Banco Elicoidale 2
(Abadzic)
Correlazioni Tubi Elicoidali 1,5
400
- Banco Rett. (Zukauskas)
1
200

0,5
0
0 200 400 600 800 1000 1200
0
Q Calcoli Garioni [kW]
P=398 kW P=429 kW
16

LEAP ed efficienza: il settore elettrico
Risparmiare energia elettrica:
studio per una pubblicazione
sull’efficienza nei consumi elettrici. In Italia il 75-85% dei consumi
elettrici nel settore industriale-artigianale è dovuto ai motori.

Risparmio energetico che si
Numero di anni N per il ritorno di investimento per ottiene regolando un ventilatore
un motore di classe di efficienza Eff1 rispetto ad con inverter anziché con
uno di Eff2 al variare della potenza e delle ore serranda
annue di funzionamento (incentivi fiscali DM
19/2/2007 fino al 2010)
Fonte: M.Delfanti-G.Invernizzi, Risparmiare Energia Elettrica, TuttoNormel
17

Recupero di materia ed energia dai rifiuti
Ogni abitante dei Paesi industrializzati produce in media da 1 a 2,5 kg al
giorno di rifiuti solidi urbani (RSU), pertanto dai 400 ai 900 kg all’anno.
Media europea nel 2009: 513 kg per abitante per anno, 316 kg in Repubblica
Ceca e Polonia, 833 kg in Danimarca, 541 kg in Italia (Eurostat 2011).

18


Gestione integrata del ciclo dei
rifiuti: “la regola delle 4R”
(Decreto Ronchi 1997)

BENEFICI
risparmio di risorse
Riduzione attraverso il recupero di:
- materiali
- energia
Riutilizzo

Riciclaggio
Recupero
energetico
PROBLEMI
- adeguata gestione del
discarica di servizio sistema
(residui INERTI) - emissioni
- costi

19

Gestione dei RSU nell’Europa a 27 Paesi – anno 2009, % in peso
Termoutilizzazione o Incenerimento Discarica Riciclo Compostaggio
Gestione RSU EU 27 - anno 2009
100%

90%
•EU 27: 20% TU o inc.,
80% 38% discarica, 24%
riciclo, 18% compost.
70%
•Italia: 12% TU o inc.,
60% 45% discarica, 11%
riciclo, 32% compost.
50%
•Nei Paesi
40% industrializzati la
30%
risorsa energetica
potenziale a valle della
20% RD è pari al 3-5% dei
consumi di energia
10%
primaria(esclusi i
0% trasporti)
•In Italia: 4% - in realtà
tog a

a
27

go

ro
gi o

v ac o

Spa ia

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Be l

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no U

la risorsa è sfruttata
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Fra

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solo al 10%
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Lus

Re p

Fonte: rielaborazione LEAP di dati Eurostat
20

LEAP e rifiuti: analisi del sistema di gestione di Piacenza - 1
Studio svolto per conto di
Tecnoborgo SpA:
•Analisi energetica ed
ambientale del
termovalorizzatore per
validarne i dati gestionali e il
rispetto delle normative vigenti;

•Valutazione delle linee
evolutive del sistema di raccolta
dei RSU nel bacino della Materiale NON
RACCOLTA intercettato RUR
provincia di Piacenza; RSU DIFFERENZIATA TERMOUTILIZZAZIONE

Materiale Scorie e
intercettato residui
•Analisi LCA del sistema di Scarti
separazione e
trattamento
fumi Energia elettrica:
SEPARAZIONE DEL selezione
gestione complessivo per MULTIMATERIALE E A recupero sostituzione di
elettricità prodotta
SELEZIONE DI OGNI
ricavere i principali indici di MATERIALE
Ceneri
per via
Scarti convenzionale
valutazione; Organico Imballaggi
recupero
DISCARICA
selezionato selezionati

•Analisi bibliografica sugli Acciaio, Alluminio
Vetro, Plastica
effetti sulla salute riconducibili Carta, Legno RICICLO Materiale riciclato: sostituzione del prodotto
primario
alle emissioni in atmosfera degli
impianti di termoutilizzazione. FORSU
Verde
COMPOSTAGGIO Compost: sostituzione di torba e
concimi chimici

21

LEAP e rifiuti: analisi del sistema di gestione di Piacenza - 2
Risultati ambientali
salienti dell’analisi LCA :
•Confronto fra scenario
base con RD al 36% e
scenario derivato con RD
50%, maggior
sfruttamento capacità
autorizzata, innovazioni
tecnologiche impianto;
•Evidenti vantaggi in
termini di riscaldamento
globale grazie ad
incremento del recupero di
materia e riduzione
conferimenti in discarica;
•Maggior impatto evitato
sulla salute umana
evidenziato dall’indicatore
sulla tossicità.
Nello scenario derivato
maggiore sostenibilità
del sistema integrato di
gestione dei rifiuti.
22

LEAP e rifiuti: emissioni di polveri fini ed ultrafini - 1
Studio svolto per conto di
Federambiente:
Obiettivi:
•Analisi critica della fenomenologia;

•Caratterizzazione sperimentale di vari
ambienti in termini di numero di
particelle presenti e curva
granulometrica;

•Misura delle emissioni da impianti di
combustione, in particolare: Caldaie
domestiche, Termovalorizzatori di RSU;

3 impianti rappresentativi
delle moderne configurazioni:
•Bologna;
•Brescia;
•Milano.
•Valutazione dei potenziali effetti di
polveri fini ed ultrafini sulla salute
umana.
23

LEAP e rifiuti: emissioni di polveri fini ed ultrafini - 2
Risultati: •Difficoltà di misura, influenza
•Polveri in tutti gli ambienti; fenomeni dell’atmosfera;
•Tra le fonti tutti i processi di •Allo stato delle conoscenze non
combustione; esistono evidenze del legame
termoutilizzatori-polveri fini.
Motori
81.000.000 Motori
Diesel
52.000.000 67.000.000 benzina
Particelle cm (scala logaritmica)

43.000.000
Caldaie 17.000.000
45.000.000 51.000.000
21.000.000

4.000.000
Termovalorizzatori
1.300.000 500.000
270.000
-3

70.000
32.000 90.000
18.000 42.000
7.000
14.000 4.500 11.000 10.000
4.000
a

tta
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D

in
Di

nz
Be
*
FAP = filtro antiparticolato 24

Il nuovo Centro Studi MatER
Il Centro Studi MatER - Materia ed Energia da Rifiuti è una struttura
recentemente costituita in seno al LEAP allo scopo di riunire in un
unico soggetto enti di ricerca ed imprese che operano nel settore
del recupero di materia ed energia dai rifiuti.

È partecipato da:

•Politecnico di Milano
•Federambiente
•A2A S.p.A.
•Acegas-Aps S.p.A.
•Asia-Napoli S.p.A.
•Iren S.p.A. (fusione Enìa - Iride)
•HERAmbiente S.p.A.
•Veolia Servizi Ambientali S.p.A.
•Veritas S.p.A.

25

Tecnologie per cattura e sequestro della CO2
Possibili interventi per annullare (quasi) totalmente le emissioni di CO2 in
atmosfera:
•Aumento quota rinnovabili;
•Utilizzo fonte nucleare;
•Applicazione di tecniche per il sequestro della CO2
CCS (Carbon Capture and Sequestration): impianti alimentati mediante
combustibili fossili che generano vettori energetici decarbonizzati
(elettricità, calore e idrogeno) e, invece di rilasciare la CO2 generata in
atmosfera, la rendono disponibile come flusso a sé stante, pronto per lo
stoccaggio di lungo periodo.
acqua

idrocarburi

idrogeno
elettricità
calore

CO2
26

Tecnologie per cattura e sequestro della CO2
L’accumulo di CO2 negli strati superficiali della crosta terrestre è un
processo naturale che avviene da centinaia di milioni di anni dando vita a
formazioni di carbonati minerali e a depositi di CO2 pura o in miscela.

Fonte: www.co2crc.com.au
27

LEAP e CCS: il laboratorio CO2_Box
Le tecniche di cattura rendono disponibili flussi di CO2 contaminata da
diverse impurità e questo influisce sul progetto dei componenti (sistemi di
separazione, compressori, tubazioni, ecc.) e sul comportamento durante
l’iniezione e lo stoccaggio.

Fondamentale conoscere il comportamento termodinamico di queste miscele
a base di CO2

Banco prova sperimentale per la determinazione delle proprietà
termodinamiche delle miscele a base CO2

28

Risultati:
•Produzione scientifica;
•Collaborazioni con altri centri di ricerca ed università.

In figura il confronto fra due modelli matematici (equazioni cubiche di
Soave-Redlich-Kwong e di Peng-Robinson) in termini di accuratezza di
predizione della densità di CO2 pura

29


30

Efficienza e sostenibilità dell’energia: conclusioni
Alcune considerazioni conclusive:
1.Vantaggi
• Energetici: risparmio energia primaria;
• Ambientali: riduzione delle emissioni di inquinanti e gas serra;
• Economici: interessanti prospettive di investimento.

2.Il LEAP opera su più fronti per ottenere un incremento di
efficienza e sostenibilità degli impieghi energetici:
• Energie rinnovabili;
• Cogenerazione ed efficienza;
• Gestione integrata del ciclo dei rifiuti;
• Tecnologie per lo sfruttamento pulito dei combustibili fossili.

3.Data la forte multidisciplinarità del settore sono auspicabili
rapporti di collaborazione fra enti con competenze differenziate,
ad esempio per attività come:
• Certificazione energetica;
• Analisi del ciclo di vita (LCA);
• Valutazione impronta ambientale di processi e prodotti.
31

GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

Ing. Alberto Sogni – Consorzio LEAP
alberto.sogni@polimi.it

www.leap.polimi.it

32

workshop LEAP r2b_09.06.2011

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