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Metodologie di analisi

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Presentazione sul tema: "Metodologie di analisi"— Transcript della presentazione:

1 Metodologie di analisi
Sostenibilità energetica in ambito urbano: Metodologie di analisi Ing. Novella TALA’, Responsabile Scientifico Prof. Massimo SANTARELLI Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino Fondazione TELIOS Torino, 25 Settembre 2009

2 Fasi di sviluppo dell’assegno
Ricerca bibliografica sui modelli di analisi energetica e ambientale di sistemi urbani di grandi dimensioni Classificazione dei modelli di analisi ed eventuali software applicativi Studio domanda energetica per settori (Trasporti, Residenziale,Commerciale, …) e relativi aspetti ambientali Metodi di analisi di sistemi energetici territoriali Caso studio preliminare CASE STUDY: Quartiere di Torino Raccolta dati Analisi dello stato attuale Proposta e analisi scenari alternativi Conclusioni Torino, 25 Settembre 2009

3 Obiettivi dell’assegno
Lo studio si propone di confrontare metodologie di offerta e gestione di energia in tutti i settori che caratterizzano l’ambito urbano Perché ambiti urbani? Perché sono tra i principali consumatori di energia responsabili di impatti sulla biosfera e pertanto possibili laboratori di applicazione dei processi di produzione e gestione sostenibile dell’energia. Torino, 25 Settembre 2009

4 Il sistema energetico di riferimento (1)
Gli ambiti urbani rappresentano dei sistemi energetici complessi in cui i flussi di energia e di materiale sono collegati da reti di tecnologie articolate, con singole componenti ugualmente complesse Torino, 25 Settembre 2009

5 Il sistema energetico di riferimento (2)
L'approccio modellistico permette di rappresentare le realtà urbane traducendo in termini matematici i flussi energetici ed i costi economici e ambientali del sistema Rappresentazione aggregata di un sistema energetico di riferimento Torino, 25 Settembre 2009

6 Il sistema energetico di riferimento (3)
Diagramma energetico Fonti primarie Fonti secondarie Vettori energetici Dispositivi Residenziale Servizi Terziario Processi Conversione Trasporti Industria Torino, 25 Settembre 2009

7 Metodi di analisi Metodi di analisi adottati:
Sono state esplorate metodologie utili alla comprensione delle trasformazioni dei flussi energetici; Metodi di analisi adottati: Analisi ENergetica (Analisi WTW) Analisi Ambientale Analisi EXergetica Torino, 25 Settembre 2009

8 Analisi di un sistema energetico territoriale
Fasi principali dell’analisi: Descrizione del sistema e dei suoi confini Acquisizione, elaborazione e controllo dei dati Costruzione del diagramma energetico Analisi Calcolo indicatori (ENergetici, EXergetici, Ambientali) Interpretazione dei valori Rappresentazione dei risultati Valutazione finale Torino, 25 Settembre 2009

9 Analisi ENergetica-Ambientale
L’analisi WTW rappresenta una metodologia di valutazione ENergetico-Ambientale specifica per autotrazione e costituisce un caso particolare della metodologia Life Cycle Assessment (LCA) L’indice WTT (Well-to-Tank) tiene conto dell’energia utilizzata per estrarre, lavorare e trasportare la fonte primaria sino al parco combustibili. L’indicatore TTW (Tank-to-Wheel) caratterizza le modalità con cui il combustibile è impiegato in una specifica tecnologia. L’indicatore composto WTW (Well-to-Wheel) permette di paragonare le diverse combinazioni di fonte primaria e tecnologia che la utilizza. Torino, 25 Settembre 2009

10 Analisi ENergetica Schematicamente le fasi della sequenza WTW sono
Produzione, trasporto e distribuzione materie prime Fase 1 WTTEN WTWEN Fase d’uso (utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia) TTWEN Fase 2 L’indicatore WTWENERGETICO valuta i costi energetici di un servizio energetico espressi in MJ/MJ Torino, 25 Settembre 2009

11 Analisi Ambientale Schematicamente le fasi della sequenza WTW sono
Produzione, trasporto e distribuzione materie prime Fase 1 WTTAMB WTWAMB Fase d’uso (utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia) TTWAMB Fase 2 L’indicatore WTWAMBIENTALE valuta i costi ambientali di un servizio energetico espressi in t(CO2)/MJ Torino, 25 Settembre 2009

12 Analisi ENergetica-Ambientale
Indicatori: Efficienza energetica Fabbisogno di energia primaria CO2(emessa)/y Torino, 25 Settembre 2009

13 Analisi EXergetica (1) La conservazione dell’energia nel suo complesso enunciata dal Primo Principio della Termodinamica fornisce informazioni quantitative, ma non rende conto delle qualità intrinseche di una forma di energia rispetto ad un’altra. Il Secondo Principio della Termodinamica permette di conoscere in termini anche qualitativi le energie in gioco. Perdita di qualità energetica in un processo reale Torino, 25 Settembre 2009

14 Analisi EXergetica (2) L’Exergia di un flusso energetico (termico, elettrico, associato a una massa) è la massima quantità di lavoro ottenibile da una trasformazione reversibile del flusso energetico fino a portarlo in equilibrio con l’ambiente L’ EXergia posseduta da un certo sistema è definita “come il massimo lavoro estraibile dai flussi di energia che il sistema scambia con l’ambiente circostante sino a portarsi in equilibrio con esso”. Torino, 25 Settembre 2009

15 Analisi EXergetica (3) L’ENergia si conserva sempre, non si può né distruggere, né creare. L’EXergia si conserva solamente in un processo reversibile; tutti i processi reali però sono di tipo irreversibile, per cui alla fine di ogni processo è destinata a degradarsi. In un sistema antropico l’ENergia in ingresso fluisce ed esce quantitativamente invariata, mentre l’EXergia si consuma all’interno del sistema arrivando, in alcuni sistemi, anche ad annullarsi. Torino, 25 Settembre 2009

16 Analisi EXergetica (4) L’Analisi EXergetica permette di analizzare le prestazioni di un sistema dal punto di vista di un utilizzo razionale delle risorse consumate. L’Analisi EXergetica viene utilizzata per identificare i componenti in cui si sprecano le risorse energetiche del sistema, il tipo e l’entità di questo spreco, ed è quindi utile per sviluppare strategie per un miglior utilizzo delle risorse. In sintesi serve a: -quantificare come l’ENergia si degrada attraverso la evoluzione della distruzione della grandezza EXergia ; -confrontare diversi processi attraverso un ulteriore indice chiamato efficienza EXergetica. Questa analisi è applicabile sia per i singoli componenti che per il sistema globale Torino, 25 Settembre 2009

17 Analisi EXergetica (5) Il diagramma di flusso dell’EXergia nella trasformazione in esame identifica un generico processo come “black-box” nel quale confluiscono e si diramano i vari flussi EXergetici. In ingresso abbiamo i flussi: Risorsa (F) Mentre in uscita: Prodotto utile (P) Flusso EXergetico non utilizzato (L) Irreversibilità (D). Torino, 25 Settembre 2009

18 Analisi EXergetica (6) Indicatore caratteristico:
Efficienza EXergetica Torino, 25 Settembre 2009

19 Principali novità significative alla metodologia
Uso della struttura di calcolo propria della Teoria del Costo EXergetico per eseguire l’analisi ENergetica TTW Uso della grandezza EXergia per la ripartizione dei carichi ambientali. Per i componenti che riversano verso l’esterno due o più prodotti ENergetici come per esempio il caso di un sistema di cogenerazione, lo studio ha proposto il calcolo del costo ambientale dei prodotti ENergetici attraverso degli indici di attribuzione della CO2 in base ad un fattore peso che tiene conto dell’EXergia Torino, 25 Settembre 2009

20 Fonti WTWEN WTTEN : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di: EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/ Joint Research Center-European Commission/ Conservation of Clean Air and Water in Europe) Attraverso un certo numero di percorsi il combustibile in esame può essere prodotto a partire da diverse fonti energetiche primarie. Ciascun percorso è composto da una serie di processi utili alla produzione del combustibile finito, reso disponibile alla tecnologia. Un percorso completo è perciò una combinazione e una successione di processi. TTWEN : Calcolati attraverso la Teoria del Costo EXergetico modificata Torino, 25 Settembre 2009

21 Note sulla Teoria del Costo EXergetico
Allo scopo di formalizzare una procedura rigorosa per l’assegnazione di un indice TTWEN ai flussi in uscita di un componente a più prodotti è stata applicata con le opportune modificazioni La Teoria del Costo EXergetico La Teoria del Costo EXergetico rappresenta una procedura di assegnazione dei costi dei flussi energetici del sistema nell’ambito dell’Analisi Termoeconomica. L’Analisi Termoeconomica è una disciplina che ha l’obiettivo di attribuire un costo ad ogni flusso di sistema per valutare le prestazioni del sistema stesso Torino, 25 Settembre 2009

22 Note sulla Teoria del Costo EXergetico
La Teoria del Costo Exergetico sviluppa il concetto di costo exergetico di un flusso di exergia: è la quantità di exergia che deve essere spesa nel sistema per ottenere il determinato flusso di exergia considerato Il costo exergetico unitario del flusso considerato rappresenta il costo exergetico del flusso per unità di exergia del flusso stesso Torino, 25 Settembre 2009

23 Le equazioni ausiliarie di tipo lineare
EQUAZIONI DI BILANCIO L’equazione di bilancio del flusso exergetico applicata ad un sistema con m componenti collegati tra di loro e con l’ambiente esterno da n flussi L’equazione di bilancio del costo exergetico per il sistema assume la forma Le equazioni ausiliarie di tipo lineare L’insieme delle equazioni fondamentali e di quelle ausiliarie porta al sistema Torino, 25 Settembre 2009

24 DETERMINAZIONE TTWENERGETICO CON SISTEMI MULTI-PRODOTTO
Ragionando in termini di costo energetico la procedura di assegnazione dei costi exergetici è stata applicata sostituendo al concetto di costo exergetico il concetto di costo energetico per passare al costo energetico unitario che è stato interpretato come il parametro TTWEN costo energetico unitario Torino, 25 Settembre 2009

25 Fonti WTWAMB WTTAMB : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di: EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/ Joint Research Center-European Commission/ Conservation of Clean Air and Water in Europe) TTWAMB : fattori di emissione caratteristici degli impianti Torino, 25 Settembre 2009

26 Caso studio Il Quartiere: Superficie: 100.000 m2
Popolazione: abitanti Fabbisogni termici: 7000 MWh/y Fabbisogni elettrici: 2000 MWh/y Torino, 25 Settembre 2009

27 Caso studio: Scenario base (1)
Caldo Il modello ed i suoi componenti Elettricità Freddo caldaia Componente 1: una caldaia a condensazione e due caldaie a gas; Componente 2: chiller a compressione Componente 3: co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento; Componente 4: Moduli fotovoltaici chiller cogeneratore chiller Elettricità Solare Gas Naturale fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

28 Caso studio: Scenario base (2)
Descrizione dei flussi ENCAL Flussi in entrata: Gas Naturale: La conversione in flusso exergetico avviene utilizzando il suo potere calorifico inferiore (PCI) Flussi in uscita: Flusso di Calore: L’exergia termica associata ad un flusso di calore è proporzionale al flusso secondo un fattore funzione della temperatura Energia Elettrica: Il flusso di exergia è coincidente con il flusso di energia trattandosi di una energia di tipo elettrico-meccanico ENNG Componente ENELE EXCAL EXNG Componente EXELE Torino, 25 Settembre 2009

29 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (3)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (3) Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW) 7722 7722 6178 900 caldaia caldaia 100 476 100 40 chiller chiller 2517 2517 cogeneratore 970 1168 234 cogeneratore 970 217 27 chiller chiller 375 60 375 60 fotovoltaico fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

30 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (4)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (4) Rendimenti energetici ed exergetici Efficienza energetica Efficienze exergetiche Componente ηen ηex caldaia 0.80 0.12 chiller 4.76 0.37 cogeneratore 0.85 0.48 Fotovoltaico 0.16 0.17 Torino, 25 Settembre 2009

31 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (5)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (5) Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW) 7722 7722 6178 900 caldaia caldaia 100 476 100 40 chiller chiller cogeneratore 2517 970 1168 234 2517 cogeneratore 970 217 27 chiller chiller 375 375 60 fotovoltaico 60 fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

32 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (6)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (6) Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti caldaia chiller cogeneratore fotovoltaico chiller Torino, 25 Settembre 2009

33 Caso studio: Scenario base (7)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (7) Analisi WTWENERGETICA BILANCIO ENERGETICO Componenti TTW WTT WTW MWh - MWhf MWhx/MWhf MWhx MWhPR Energia elettrica importata 1.00 1.87 Boiler Energia termica prodotta (boiler) 1.25 Natural Gas importato (boiler) 0.0567 152.17 Cogeneratore Energia elettrica autoprodotta (CHP) 1.0612 Natural Gas importato (CHP) 248.05 Energia termica prodotta (CHP) 358.52 Energia elettrica esportata PV Systems Energia elettrica autoprodotta (ATC PV Systems) 54.00 Energia elettrica autoprodotta (District PV Systems) 104.00 Fabbisogno finale di energia primaria Torino, 25 Settembre 2009

34 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (8)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (8) Analisi WTWENERGETICA MWh WTW (MWhPR) Torino, 25 Settembre 2009

35 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (9)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (9) Analisi WTWENERGETICA MWh Torino, 25 Settembre 2009

36 Caso studio: Scenario base (10)
Tabella 1: Scenario base ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario base (10) Analisi WTWAMBIENTALE BILANCIO AMBIENTALE Componenti WTT TTW WTW MWhf tCO2/MWhf tCO2 tCO2/MWh Energia elettrica importata 0.435 457.06 0.00 Elettricità importata Boiler 0.010 27.34 0.202 542.12 569.46 Natural Gas (boiler) Cogeneratore 44.57 883.71 928.28 Natural Gas (CHP,ELE) 64.42 Natural Gas (CHP,TH) Energia elettrica esportata 0.000 Elettricità esportata PV Systems Totale CO2 emessa Torino, 25 Settembre 2009

37 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (11)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario base (11) Analisi WTWAMBIENTALE t(CO2)/y WTW [t(CO2)] Torino, 25 Settembre 2009

38 Caso studio: Scenario base (12)
Considerazioni scenario base: L’analisi dello scenario di riferimento (indicatore scelto, rendimento exergetico) mette in evidenza le criticità del caso base in termini di efficiente sfruttamento delle risorse primarie: la maggiore criticità (maggiori irreversibilità) sono associate al componente caldaia; si suggerisce la sostituzione del componente costituito dalla caldaia con un nuovo componente integrato costituito da cogeneratore + pompe di calore. Si propone uno scenario alternativo Torino, 25 Settembre 2009

39 Caso studio: Scenario alternativo (1)
Caldo Freddo Elettricità Il modello ed i componenti cogeneratore Elettricità pompe di calore Componente 1: Co-generatore; Componente 2: Pompe di calore Componente 3: chiller a compressione Componente 4: co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento; Componente 5: Moduli fotovoltaici chiller cogeneratore chiller Gas Naturale Elettricità Solare fotovoltaico Torino, 25 Settembre 2009

40 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (2)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (2) Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti Componente ΦF(kW) ΦP(kW) ψF(kW) ψP(kW) cogeneratore 2517 1168 970 217.2 pompe di calore 1138 5014 1.1380 356.9 chiller 100 476 367 234 27.4 fotovoltaico 375.5 59.6 356.5 Torino, 25 Settembre 2009

41 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (3)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (3) Efficienze energetiche ed exergetiche Componente ηen ηex cogeneratore 0.85 0.47 pompe di calore 0.87 0.31 chiller 4.76 0.37 0.48 fotovoltaico 0.16 0.17 Torino, 25 Settembre 2009

42 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (4)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (4) Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti cogeneratore pompe di calore chiller cogeneratore fotovoltaico chiller Torino, 25 Settembre 2009

43 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (5)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (5) Analisi WTWENERGETICA MWh WTW (MWhPR) Torino, 25 Settembre 2009

44 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (6)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Caso studio: Scenario alternativo (6) Analisi WTWENERGETICA MWh Torino, 25 Settembre 2009

45 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (7)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Tabella 1: Scenario base Caso studio: Scenario alternativo (7) Analisi WTWAMBIENTALE t(CO2)/y WTW [t(CO2)] Torino, 25 Settembre 2009

46 Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Confronto scenari Fabbisogno finale energia primaria Totale CO2 emessa Rendimento eXergetico totale Cavour, 6 Marzo 2009

47 Tabella 1: Scenario base Conclusioni e obiettivi dello studio (1)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Conclusioni e obiettivi dello studio (1) Il lavoro mira a fornire indicazioni di tutela ambientale e indirizzi per il governo del territorio tramite suggerimento di interventi nei processi di produzione e gestione sostenibile dell’energia La scelta del sistema oggetto di studio, la città, appare la più appropriata in quanto centro utile alla ricerca e alla applicazione di soluzioni atte a ridurre il nostro impatto ambientale e diminuire le emissioni da gas serra Lo studio si propone di evidenziare i punti di forza e di debolezza di sistemi energetici urbani di grandi dimensioni al fine di identificare le necessità, i rischi e le opportunità per il futuro degli stessi Torino, 25 Settembre 2009

48 Tabella 1: Scenario base Conclusioni e obiettivi dello studio (2)
ΨF,TOT=10696 kW ΨP,TOT=2212 kW ΨI,TOT=8484,2 kW ηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068 Conclusioni e obiettivi dello studio (2) In conclusione questo lavoro ha raggiunto gli obiettivi prefissati : Sono state analizzate le principali caratteristiche dei sistemi energetici urbani E’ stata approfondita una metodologia per lo studio dei suddetti sistemi E’ stato sviluppato un caso studio che ha una caratteristica di replicabilità fondamentale per applicazioni reali dei metodi a realtà metropolitane più o meno estese e complesse; tale lavoro richiede una fase necessaria di acquisizione dei dati energetici e tecnologici, e una fase di elaborazione dei dati e di analisi dei risultati Torino, 25 Settembre 2009


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