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RISPARMIO ENERGETICO ED ENERGIE RINNOVABILI IN ZOOTECNIA (CORSO REER) prof. Massimo Lazzari Dip. VSA- Veterinaria e Sicurezza alimentare - Università Milano.

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1 RISPARMIO ENERGETICO ED ENERGIE RINNOVABILI IN ZOOTECNIA (CORSO REER) prof. Massimo Lazzari Dip. VSA- Veterinaria e Sicurezza alimentare - Università Milano prof. Marco Fiala Dip. Ingegneria Agraria - Università Milano

2 VALUTAZIONE DELLUSO EFFICIENTE DELLENERGIA PRIMARIA E OUT PROCESSOdiCONVERSIONE E IN ENERGIA USCENTE ENERGIA ENTRANTE

3 Innanzitutto definiamo lindice di efficienza energetica come : energia primaria uscente I eff = energia primaria entrante VALUTAZIONE DELLUSO EFFICIENTE DELLENERGIA PRIMARIA

4 COSA SIGNIFICA LCA LIFE CYCLE ANALYSIS Definizione: studio per valutare in unottica sistemi lintero ciclo di vita di tutti gli input e gli output Approccio metodologico definito da: normative internazionali (Serie ISO 14000) COSA COMPORTA: La definizione dellobiettivo e del campo di applicazione dellanalisi (ISO 14041); La compilazione di un inventario degli input e degli output di un determinato sistema (ISO 14041); La valutazione del potenziale impatto ambientale correlato a tali input ed output (ISO 14042); Linterpretazione dei risultati (ISO da una idea della qualità della conversione

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6 COSA SIGNIFICA LCA

7 GLI OUTPUT: VALUTAZIONE CARATTERISTICHE ENERGIA METABOLIZZABILE (Em; J/kg; kcal/kg) Per i prodotti alimentari. Deriva da studi biochimici CONTENUTO CALORICO (Ce, Ve; J/kg; kcal/kg) Per tutti i prodotti a destinazione non alimentare. Si ricava per combustione diretta con studi termochimici

8 GLI OUTPUT: CARATTERISTICHE MASSA VOLUMICA RELATIVA ( r ; kg/m 3 ) Rapporto tra la massa di un campione a una certa temperatura e lo stesso volume di: aria alla pressione atmosferica (al livello del mare) a T = 0 °C (gas) acqua distillata a T = 15 °C (solidi, liquidi) Idoneità dei sistemi di pompaggio/iniezione del combustibile utilizzato MASSA VOLUMICA APPARENTE ( ; kg/m 3 ) Massa di un campione a una certa temperatura effettivamente contenute nellunità di volume. Importante per i materiali solidi: tiene conto di eventuali spazi vuoti e, dunque, delle modalità di stoccaggio e della granulometria Combustibili liquidi e gassosi r = Calcolo dei volumi occupati (fasi di: trasporto, immagazzinamento)

9 GLI OUTPUT: CARATTERISTICHE POTERE CALORIFICO SUPERIORE (PCS; kcal/kg; kcal/Nm 3 ) Quantità di energia termica sviluppata dalla combustione completa di: 1 kg di combustibile (liquido o solido) 1 Nm 3 (m 3 normale: pressione atmosferica, T = 0 °C) (gas) Include il calore latente del vapore d'acqua che si forma, nel corso del processo, dalla combinazione dell'idrogeno e dell'ossigeno contenuti rispettivamente nel combustibile e nell'aria (acqua di legame) C x H y 0 z + O 2 CO 2 + H energia POTERE CALORIFICO INFERIORE (PCI; kcal/kg; kcal/Nm 3 ) PCI = PCS – calore latente del vapor acqueo (che nelle realizzazioni pratiche e con impianti convenzionali va perso con i fumi) H 2 O, CO 2 CH 4 + O 2

10 CONTENUTO o VALORE ENERGETICO (CE, VE; kJ/kg; kJ/Nm 3 ) (Potere Calorifico Netto) = PCI – calore assorbito per evaporare lacqua libera inglobata nel materiale (umidità: contenuta in quantità variabile in tutti i combustibili ligno-cellulosici) kJ/kg; kJ/Nm 3 kcal/kg; kcal/Nm 3 kWh/kg; kWh/Nm 3 Calore di evaporazione dellH 2 O Umidità % materiale (su base umida) Potere Calorifico Inferiore (della sostanza secca) GLI OUTPUT: CARATTERISTICHE

11 Legna tal quale m = 1 kg ss = 85% U = 15% PCIss = 4500 kcal/kg +- CE = 3735 kcal/kg GLI OUTPUT: ESEMPIO LEGNA

12 GLI OUTPUT: VALORI MEDI TABELLARI

13 GLI INPUT: CARATTERISTICHE CONSUMI DIRETTI Relativi all'impiego di combustibili, carburanti ed energia elettrica; CONSUMI INDIRETTI Necessari alla produzione e alla consegna all'azienda agricola dei mezzi tecnici (concimi, antiparassitari, mangimi extra-aziendali), delle macchine, degli attrezzi, degli investimenti in generale.

14 GLI INPUT: CARATTERISTICHE COSTO ENERGETICO (Ce): Quantità di energia spesa per la produzione, trasporto e distribuzione di una unità di prodotto sino al luogo di utenza VALORE ENERGETICO (V); Quantità di energia estraibile, o utilizzabile, all'ingresso dell'utenza finale. Nel caso dei combustibili liquidi, tale termine corrisponde, in pratica, al potere calorifico inferiore. Per i combustibili solidi e in particolare per le biomasse (legna, sottoprodotti agricoli) il valore energetico si ottiene come sopra visto K = Ce + V CONTENUTO IN ENERGIA PRIMARIA (K); Energia primaria degradata complessivamente per ogni unità di prodotto consumata da parte dell'utente finale.

15 GLI INPUT: CARATTERISTICHE IC = K/V INDICE CONVERSIONE (IC); un indice di conversione per trasformare l'unità di energia finale in energia primaria

16 GLI INPUT DIRETTI: VALORI MEDI TABELLARI

17 GLI INPUT INDIRETTI: VALORI MEDI TABELLARI

18 GLI INPUT INDIRETTI: FATTORI A LOGORIO PARZIALE CONTENUTO SPECIFICO ENERGIA PRIMARIA (Cu; kcal/kg; kJ/kg), Energia per unità di massa che viene inglobata inizialmente nel bene e si consuma su più processi successivi MASSA (M; kg); Energia che viene inglobata inizliamente nel bene e si consuma su più processi successivi CONTENUTO ENERGIA PRIMARIA (Cm; kcal; kJ) Energia che viene inglobata inizialmente nel bene e si consuma su più processi successivi VALORE ENERGETICO DI RECUPERO (X; %); Energia inglobata nei rottami Cm = M Cu (1 -x)

19 INPUTS INDIRETTI: IL LAVORO UMANO DIPENDE DAGLI OBIETTIVI DELLANALISI energia consumata durante l'attività lavorativa, dati derivati dallergonomia energia contenuta nella razione alimentare, dati derivati dagli studi sullalimentazione; energia impiegata per produrre la razione alimentare, derivati dagli studi sul sitema ago-alimentazione; energia consumata per mantenere in vita l'uomo o l'animale per tutta la sua vita e ripartita su ogni singola ora di lavoro, sarebbe la più corretta in unottica di LCA Per l'uomo si può passare così da 0,002 a 3.5 kgep/h di lavoro.

20 MJ/kgkgep/kgkg/ha Invernada70,16300 Invernada con integrazione 30,07500 Ristallo italia220,51200 CONSUMI ENERGETICI PER PRODUZIONE CARNE

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23 Tecnologia EROEI (Elliott) EROEI (Hore-Lacy) EROEI Altri autori Grande idroelettrico Mini idro Petrolio anni doro Petrolio oggi 5-15 [1] [1] Eolico Nucleare <1 [2] [2] Fotovoltaico a film sottile [3] [3] Fotovoltaico convenzionale (silicio)3-94-9<1 [4] [4] Carbone Gas Naturale Biomassa Etanolo 0.6 [5] -.2 [6] [5] [6] Sabbie bituminose <1? Chiamiamo Ritorno Energetico sullInvestimento Energetico, ovvero Energy Return On Energy Investment (EROEI) il rapporto fra lenergia che una tecnologia energetica produrrà durante la sua vita attiva e l'energia che è necessaria per costruire, mantenere, e poi smantellare la stessa

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25 FOTOVOLTAICO

26 da The Oi Drum l Drum "Coal": carbone; "domestic oil": petrolio nazionale; "nuc": nucleare "firewood": legna da ardere; "hydro" : idroelettrico; "windmill": eolico; "p.voltaic": fotovoltaico. Scala delle X: energia in exajoules, scalla delle Y, resa energetica dellinvestimento, EROIThe Oi Druml Drum IL CORSO IN UNA DIAPOSITIVA Attenzione a questo!!!

27 EMISSIONI DI CO 2 tCO 2 tep 3

28 Confronto di emissioni di anidride carbonica delle auto tCO 2 /teptCO2/TJ Benzina2,86868,17 Diesel3,06673,26 GPL2,6162,39 metano2,33456,32 EMISSIONI DI CO 2

29 EMISSIONI DI CO 2 PER BIOCOMBUSTIBILI A PARTIRE DA TERRENO VERGINE Biocombustibili di seconda generazione??

30 gemis APPROFONDIMENTI

31 ESERCIZI

32 32 CALCOLO del RENDIMENTO E OUT = quantità fluido · salto termico · calore specifico 3000 kg ·(80-40) °C · 1 kcal/ °C·kg = kcal E IN = quantità fonte · Potere Calorifico Inferiore 15 m 3 · 8500 kcal/m 3 = kcal RENDIMENTO di 1° ORDINE E OUT EPEP E IN Metano V = 15 m kg di H 2 O T 2 = 80 °C T 1 = 40 °C Fumi, CO 2 E IN E OUT - EPEP = = = 7500 kcal

33 33 CALCOLO delle PERDITE TERMICHE H 2 O T 2 = 65 °C V = 3,5 m 3 T 1 = 10°C GENERATORE TERMICO Temperatura ambiente T 3 = 20 °C C = m c s T = V c s (T 2 – T 1 ) = 3, (65-10) = 806 MJ = 223,9 kWh ACQUA DENSITÀ: = 1 kg/dm 3 = 1000 kg/m 3 CALORE SPECIFICO: c s = 4187 J/kg °C = 1 kcal/kg °C k = W/m 2 · °C

34 34 CALCOLO dellENERGIA POTENZIALE e della POTENZA IDRAULICA E p = m g H = V g (H 2 – H 1 ) = , = 3, N m E p = MJ = kWh V = 5000 m 3 H 1 =1000 m H 2 = 200 m Turbina Bacino Idrico Q = 25 dm 3 /s P = Q g (H 2 – H 1 ) = ,81 ( ) = N m/s = 196,2 kW

35 35 CALCOLO della POTENZA e dellENERGIA TERMICA Q = 4 dm 3 /s T1T1 T2T2 P t = Q c s T = = 80 kcal/s = kcal/h C = P t tf = = 2010 kWh = kcal ACQUA DENSITÀ: = 1 kg/dm 3 = 1000 kg/m 3 CALORE SPECIFICO: c s = 4187 J/kg °C = 1 kcal/kg °C 1 kW termico = 1000 W = 1000 J/s = 1 kJ/s = 3600 kJ/h = 860 kcal/h P t = 335 kW t FUNZIONAMENTO tf = 6 h

36 36 CALCOLO del DELLENERGIA TERMICA captata da un COLLETTORE SOLARE ENERGIA INCIDENTE Ei: 5 kWh T IN T OUT T = Tout – Ti = 30 °C Ipotesi su FUNZIONAMENTO GIORNALIERO C = E i η = 5 0,7 = 3,5 kWh =3010 kcal M = C / ( T c s ) = 3100 / (30 1 1) = 100 dm 3 = 1 kg/dm 3 la densità dellacquac s = 1 kcal/kg °C il calore specifico dellacqua. U t = M / C u = 100/50 = 2

37 37 CALCOLO del DELLENERGIA TERMICA captata da un COLLETTORE SOLARE ENERGIA INCIDENTE Ei: 5 kWh + - Ipotesi su FUNZIONAMENTO GIORNALIERO T f = 24 h E l = E i η = 5 0,1 = 0,5 kWh P el = E el / T f = 0,5 1000/ 24 = 20,83 W Essendo 1 kWh = 1000 Wh.

38 400 unità di N CALCOLO ENERGIA INDIRETTA CONCIMAZIONE 1 HA DI MAIS 150 unità di fosforo 75 unità di potassio UF/ha (UF/ha) 0,21 (kgeq/UF) = = 2100 (kgeq/ha) (400 (kg/ha) 1,75 (kgeq/kg)) + (150 (kg/ha) 0,32 (kgeq/kg)) + (75 (kg/ha) 0,22 (kgeq/kg)) = = 764 (kgeq/ha)

39 39 CALCOLO del COSTO MENSILE per il RISCALDAMENTO METANO PCI: kJ/m 3 = 9075 kcal/m 3 = 10,56 kWh/m 3 COSTO alla BOCCA IMPIANTO: S u = 0,568 / m 3 T1T1 T2T2 P t = kcal/h = 335 kW t = P OUT Q CH4 = ? m 3 /h FUNZIONAMENTO tf = 250 h/mese V CH4 = Q CH4 · tf = 40 · 250 =10000 m 3 /mese S mese = V CH4 · S u = · 0,568 = 5680 /mese


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