Energy exercises

1. Suggerimenti operativi
• Analisi del fabbisogno
• Definizione del sistema di riferimento
• Proposta alternativa e confronto (con il
riferimento scelto) dal punto di vista
energetico, ambientale, economico
Esercizi di energetica

2. Es. 1 -Sostituzione di un generatore di
calore a gas naturale (I0=1000 €)
• Analisi del fabbisogno:
Utenza domestica. ET=8000 kWh/anno
A: riferimento B= proposta alternativa
0.8
10000 /
A
T
PA
A
E
E kWh anno



 
0.95
8420 /
B
T
PB
B
E
E kWh anno



 
1 1
1580 /
P T
A B
Risparmio energetico
E E kWh anno
 
 
   
 
 
15,8%
P
PA
E
E



3. Es. 1 - Analisi di impatto ambientale
• FGN= fattore di emissione di gas serra del gas
naturale, misurato in kg di CO2 equivalente per
hWh
• FGN=0,20 kg/kWh
• Misure e stime sono fatte da Enea e ISPRA
(istituto superiore per la protezione e la
ricerca ambientale)

4. Es. 1 - Analisi di impatto ambientale
2
2
2
2,
,
320
16%
CO
CO
CO A
minore impatto ambientale
kgCO eq
M
anno
M
M
 


2,
2 ,
1680
CO B PB GN
M E F
kgCO eq
anno
 
2,
2 ,
2000
CO A PA GN
M E F
kgCO eq
anno
 

5. Es. 1 - Analisi economica
• Costi di esercizio CE
• cGN=0,70 €/m3 (ad esempio)
• PCIGN=9,59 kWh/Sm3
730
PA GN
A
GN
E c euro
CE
PCI anno
  615
PB GN
B
GN
E c euro
CE
PCI anno
 
  115
PA PB GN
A
GN
risparmio economico
E E c euro
CE
PCI anno

  

6. Es. 1 - Analisi di redditività
  115
PA PB GN
A
GN
risparmio economico
E E c euro
CE
PCI anno

  
I0=1000 €
0
0
1000
8,7
115
ln(1 )
11,7
ln(1 )
| | 196
0,20
| |
SPB anni
aSPB
DPB anni
a
VAN CE FA I euro
VAN
IP
I
 

  

   
 
Ipotesi: a=0,05; N=15 anni
quindi: FA=10,4

7. Esempio 2: Sostituzione di un generatore
di calore a gas naturale con una pompa di
calore elettrica (I0=1500 €)
• Analisi del fabbisogno:
Utenza domestica. ET=8000 kWh/anno
A: riferimento B= proposta alternativa
0.8
A
 
3
0,46
T
B
E
E
EL
P
E
COP
E
E
E

 
 

8. Es. 2 - Analisi energetica
0.8
10000 /
A
T
PA
A
E
E kWh anno



 
4200 /
P
Risparmio energetico
E kWh anno
 
42%
P
PA
E
E


3
0,46
5800
T
B
E
E
EL
P
E T
PB
EL EL B
E
COP
E
E
E
E E kWh
E
COP anno

 
 
 
  

9. Es. 2 - Analisi di impatto ambientale
minore impatto ambientale
DMCO2
= 1066
kgCO2
,eq
anno
DMCO2
MCO2,A
= 53%
MCO2,B
= EEB
FEE
=
934
kgCO2
,eq
anno
2,
2 ,
2000
CO A PA GN
M E F
kgCO eq
anno
 
FGN=0,20 kg/kWh= fattore di emissione di CO2 equivalente del gas naturale
FEE=0,352kg/kWh= fattore di emissione di CO2 equivalente dell’energia elettrica

10. Es. 2 - Analisi economica
• Costi di esercizio CE
• cGN=0,70 €/m3 (ad esempio)
• PCIGN=9,59 kWh/Sm3
• cEE=0,18 €/m3 (ad esempio)
730
PA GN
A
GN
E c euro
CE
PCI anno
  CEB
= EEB
cEE
= 480
euro
anno
250 ( 34%)
A
risparmio economico
euro
CE
anno
   

11. Es. 2 - Analisi di redditività
I0=1500 €
SPB =
1500
250
= 6,0anni
DPB = 7,3anni
VAN = DCE FA- | I0
|= 1100 euro
IP =
VAN
| I0
|
= 0,73
Ipotesi: a=0,05; N=15 anni
quindi: FA=10,4
risparmio economico
DCEA
= 250
euro
anno

12. Es. 2 - Analisi di redditività - IRR
a FA VAN
3% 11,94 1485
5% 10,38 1095
8% 8,56 640
12% 6,81 202,50
15% 5,85 -37,50
N=15 anni
IRR = 0,12+
202,50
202,50- (-37,50)
(0,15- 0,12) =14,5%

13. Es. 3 -Sostituzione di uno scaldaacqua
elettrico con uno a gas naturale
• Analisi del fabbisogno:
Energia termica richiesta ET=945 kWh/anno
A: elettrico B= a gas naturale
eA
= 0.9
EEA
=
ET
eA
= 1050kWh / anno
eB
= 0.70
EPB
=
ET
eB
=1350kWh / anno
Accensione elettrica:
Potenza=50W
2h/giorno, 350 giorni anno

14. Es. 3 – analisi energetica
A: elettrico B= a gas naturale
Risparmio energetico
DEP
= 856kWh / anno 15,8%
P
PA
E
E


eA
= 0.9
EPA
=
EEA
eel
=
ET
eA
eel
= 2282kWh / anno
eB
= 0.70
EPB
=
ET
eB
=1350kWh / anno
EPB,el
=
0,050x2x350
0,46
= 76kWh / anno
EPB,tot
= 1426kWh / anno

15. Es. 3 - Analisi di impatto ambientale
minore impatto ambientale
DMCO2
= 51
kgCO2
,eq
anno
DMCO2
MCO2,A
=15%
MCO2,B
= EEB
FEE
+ EPB
FGN
=
281
kgCO2
,eq
anno
MCO2,A
= EEA
FEE
=
336
kgCO2
,eq
anno
FGN=0,20 kg/kWh= fattore di emissione di CO2 equivalente del gas naturale
FEE=0,32kg/kWh= fattore di emissione di CO2 equivalente dell’energia elettrica

16. Es. 3 - Analisi economica
Costo dell’investimento: 1200 €
Maggior costo manutenzione caldaia: 50 €/anno
Costo marginale energia elettrica risparmiata:
cEE=0,35 €/m3
Costi di esercizio CE
• cGN=0,88 €/m3 (costo marginale)
• PCIGN=9,59 kWh/Sm3
• Costo marginale energia elettrica consumata dallo
scalda acqua a gas: cEE=0,34 €/m3

17. Es. 3 – il costo marginale
• Esempio.
• Con lo scaldaacqua consumiamo 4050 kWh/anno, di cui 1050 per
l’ACS.
• Il costo in bolletta è 954 € /anno: costo medio 0,236 € /kWh
• Sostituendo lo scaldabagno, il consumo diventa 3035 kWh/anno (di
cui 35 per la ventola della caldaia a gas)
• Il costo in bolletta è di 601 € /anno: costo medio 0,198 € /kWh.
• Il valore dell’energia risparmiata e 353 € /anno per 1015 kWh:
• 0,35 € /kWh: costo marginale dell’energia elettrica risparmiata.
0
lim , ,
q
c
Cmar c costo q quantità
q

  

18. Es. 3 - Analisi economica
• Caso A: costo energia elettrica=1050 *0,35
=368 € /anno
• Caso B: costo GN+costo EE+costo manut
• Costo GN=945/(9,6*0,7)*0,88=124 € /anno
• Costo EE=35*0,34=12 € /anno
• Costo manutenzione=50 € /anno
• Costo caso B=186 € /anno risparmio economico
DCE =182
euro
anno

19. Es. 3 - Analisi di redditività
I0=1000 €
SPB =
1200
182
= 6,6anni
DPB = -
ln(1- aSPB)
ln(1+ a)
= 7anni
VAN = DCE FA- | I0
|= 693euro
IP =
VAN
| I0
|
= 0,58
IRR = 13,2%
Ipotesi: a=0,05; N=15 anni
quindi: FA=10,4
risparmio economico
DCE =182
euro
anno
a FA VAN
5% 10,38 693
10 8 256
15% 5,85 -144
IRR = 0,1+
256
256 - (-144)
(0,15- 0,1) =13,2%

20. Es 4-analisi di prefattibilità per mini-
idro, Pe = 200 kW, 5.000 heq/anno,
costo impianto 1.000 k€
• Energia elettrica prodotta = 200×5.000 = 1.000.000 kWh/anno = 1.000 MWh/anno
• Ricavi da cessione al mercato (a 80 €/MWh) = 1.000 × 80 = 80.000 €/anno
• Costi di esercizio: •Canone concessione (20 €/kW) = 4.000 €/anno • Oneri di manutenzione (0,5%
dell’investimento)= 5.000 €/anno • Oneri di personale = 10.000 €/anno • Assicurazioni (0,5%
dell’investimento) = 5.000 €/anno
totale costi = 24.000 €/anno
• Margine lordo = ricavi – costi = 80.000 – 24.000 = 56.000 €/anno
• Periodo di recupero del capitale = 1.000/56 = 17,8 anni ; DPB (20 anni, a = 5%) =45 anni
• VAN (20 anni, a = 5%) = 56×12,5 – 1.000 = -300 k€ <0
• Indice di Profitto = VAN / Investimento = -0,30 < 0
• Incentivazione in conto energia minima per SPB = 5 anni => => Ricavo minimo = 1.000/5 = 200
k€/anno => => Incentivazione minima = 200-56 = 144 k€/anno => 144/1.000 = 0,144 €/kWh
• => VAN (20 anni, a = 5%) = 200×12,5 – 1.000 = 1.500 k€ =>
• Indice di Profitto = VAN / Investimento = 1,50

21. Es 4 – solare termico
• Abitazione con 4 persone
• Fabbisogno pro-capite di ACS: 50 l/giorno/persona
• T ACS= 45 °C
• T acquedotto = 15 °C
• Fabbisogno Annuo ACS: (50*4*365)l/anno=73000 l/anno ovvero 73 t/anno
• Superficie collettori installata: 4 m2
• Produttività media collettori: 50 l/giorno/m2
• Energia prodotta: Q=mcΔT=73000*4,2*30 kJ/anno=9198 MJ/anno=2555 kWh/anno
• Il risparmio economico annuo, se la stessa energia fosse stata prodotta con caldaia (η=0.8) a gas
(Cum=0,65 €/Sm3): ΔC=2555*0.65/(9.59*0.8)€/anno=216 €/anno
• Il costo del sistema è: 500*4=2000 €
• Considerando la detrazione al 50% il costo del sistema è 1000 € • SPB=1000/216=4.7 anni
• DPB (n=20 anni, a=0.05)=5,49 anni
• VAN=216*12.5-1000=1700 €
• IP=1800/1000=1,89
• Senza detrazione SPB=2000/216=9,26 anni
• VAN=216*12.5-2000=700 €
• IP=700/2000=0,35

22. Es 5 - caldaia a pellet in sostituzione di
caldaia a GN, entrambe con h = 0,90
• Dati:
• Pt = 100 kW
• Et = 120.000 kWh/anno
• Extra-costo caldaia, IVA inclusa = 60.000 €
• cu,GN = 0,70 €/m3, PCI = 9,6 kWh/m3
• cu,biomassa = 0,18 €/kg, PCI = 4,9 kWh/kg
• maggiori costi gestione e manutenzione ≈ 0,5% dell’extra-investimento ≈ 300
€/anno
• Risultati:
• Consumo GN = 13.900 m3/anno => costo ≈ 9.700 e/anno
• Consumo pellet = 27.200 kg/anno => costo ≈ 4.900 €/anno
• Risparmio sul combustibile ≈ 4.800 €/anno (49%)
• Risparmio al netto degli extra-costi di manutenzione ≈ 4.500 €/anno
• Recupero del capitale (in assenza di incentivazioni) ≈ 13 anni • Recupero del
capitale (con detrazioni fiscali al 55%) ≈ 6 anni

23. Es. 6 – impianti a biomasse
• Pe = 200 kW
• olio di colza (filiera corta)
• PCI = 10,3 kWh/kg
• costo = 0,80 €/kg
• h = 0,40
• Investimento, I = 400.000 €
• Costo manutenzione, M = 2,5 €/MWhe
• Tariffa incentivante = 246 €/MWh
• Ore di esercizio, H=6.000 h/anno
• Ee = Pe × H = 1.200 MWh/a
• Consumo di comb. = Ee/ (PCI× h e) = 291
t/a
Ricavi = 1.200×246 = 295 k€/a
Costi = 233 + 3 = 236 k€/a
Margine = 295 – 236 = 59 k€/a
SPB = 6,8 anni
VAN (15 anni, 5%) =213,6 k€
IP (15 anni, 5%) = 0,53
- Pe = 5.000 kW
- olio di palma
- PCI = 10,1 kWh/kg
- costo = 0,75 €/kg (molto variabile!)
 h = 0,42
- Investimento, I = 7.000.000 €
- Costo manutenzione, M = 1,5 €/MWhe
- Benefici: * vendita Ee=> 70 €/MWh
* tariffa incentivante 142 €/MWh
• Ore di esercizio, H = 7.000 h/anno
• Ee = Pe × H = 35.000 MWh/a
• Consumo di comb. = Ee/ (PCI× h = 8.251 t/a
Ricavi = 35.000×(70+1420) = 7,42 M€/a
Costi = 6,19 + 0,05 = 6,24 M€/a
Margine = 7,42 – 6,24 = 1,18 M€/a
SPB = 6,0 anni
IP (15 anni, 5%) = 0,75

24. Es 7 – Impianto a combustibile
derivato dai rifiuti
• IPOTESI
• Pe = 100 MW
• Costo dell’impianto = 400 M€
• Rendimento netto = 27%
• Ore equivalenti di funzionamento: 7.500 h/anno => Ee = 750.000 MWh/anno
• PCI medio CDR in ingresso = 18 MJ/kg =>
• capacità di smaltimento = 100/(0,27*18) = 20,5 kg/s = 74 t/h = 1.780 t/giorno ; su base annua:
550.000 t/anno di CDR
• Costi di gestione e manutenzione = 3% dell’investimento => 12 M€/anno • Costo smaltimento
ceneri e scorie (12% del combustibile => 72.000 t/a) = 180 €/t => 13 M€/a
• Incentivazioni: tariffa incentivante sul 51% dell’energia prodotta (quota biodegradabile), 119 €
/MWh
• Vendita energia = 70 €/MWh,
• Tariffa di conferimento pagata per smaltire il CDR = 60 €/t
Ricavi da produzione en. el. = 750.000×(70+0,51×119) = 98 M€/a
Ricavi da conferimento = 550.000×60 = 33 M€/a
Costi di gest. e manut. + smaltimento scorie = 12 + 13 = 25 M€/a
Margine = 98+33-25 = 106 M€/a
SPB = 3,8 anni
IP (15 anni, 5%) = 1,76