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

EIN EOUT VALUTAZIONE DELL’Uso efficiente dell’energia primaria PROCESSO di CONVERSIONE EIN ENERGIA USCENTE ENERGIA ENTRANTE

Ieff = ----------------------- VALUTAZIONE DELL’Uso efficiente dell’energia primaria Innanzitutto definiamo l’indice di efficienza energetica come : energia primaria uscente Ieff = ----------------------- energia primaria entrante

LIFE CYCLE ANALYSIS Cosa significa LCA Definizione: studio per valutare in un’ottica sistemi l’intero ciclo di vita di tutti gli input e gli output Approccio metodologico definito da: normative internazionali (Serie ISO 14000) COSA COMPORTA: La definizione dell’obiettivo e del campo di applicazione dell’analisi (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); L’interpretazione dei risultati (ISO 14043 da una idea della “qualità” della conversione

Cosa significa LCA

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

Gli output: caratteristiche MASSA VOLUMICA RELATIVA (r; kg/m3) 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/m3) Massa di un campione a una certa temperatura effettivamente contenute nell’unità 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)

Gli output: caratteristiche POTERE CALORIFICO SUPERIORE (PCS; kcal/kg; kcal/Nm3) Quantità di energia termica sviluppata dalla combustione completa di: 1 kg di combustibile (liquido o solido) 1 Nm3 (m3 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) CxHy0z + O2  CO2 + H20 + energia POTERE CALORIFICO INFERIORE (PCI; kcal/kg; kcal/Nm3) PCI = PCS – calore latente del vapor acqueo (che nelle realizzazioni pratiche e con impianti convenzionali va perso con i fumi) H2O, CO2 CH4 + O2

CONTENUTO o VALORE ENERGETICO (CE, VE; kJ/kg; kJ/Nm3) Gli output: caratteristiche CONTENUTO o VALORE ENERGETICO (CE, VE; kJ/kg; kJ/Nm3) (Potere Calorifico Netto) = PCI – calore assorbito per evaporare l’acqua libera inglobata nel materiale (umidità: contenuta in quantità variabile in tutti i combustibili ligno-cellulosici) kJ/kg; kJ/Nm3 kcal/kg; kcal/Nm3 kWh/kg; kWh/Nm3 Potere Calorifico Inferiore (della sostanza secca) Umidità % materiale (su base umida) Calore di evaporazione dell’H2O

Gli output: esempio legna Legna tal quale m = 1 kg ss = 85% U = 15% PCIss = 4500 kcal/kg + - CE = 3735 kcal/kg

Gli output: valori medi tabellari

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.

K = Ce + V 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 Contenuto in energia primaria (K); Energia primaria degradata complessivamente per ogni unità di prodotto consumata da parte dell'utente finale. K = Ce + V

Indice conversione (Ic); Gli input: caratteristiche IC = K/V Indice conversione (Ic); un indice di conversione per trasformare l'unità di energia finale in energia primaria

Gli input diretti: valori medi tabellari

Gli input indiretti: valori medi tabellari

Cm = M  Cu  (1 -x) 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 Valore energetico di recupero (x; %); Energia inglobata nei rottami Contenuto energia primaria (Cm; kcal; kJ) Energia che viene inglobata inizialmente nel bene e si consuma su più processi successivi Cm = M  Cu  (1 -x)

DIPENDE DAGLI OBIETTIVI DELL’ANALISI INPUTS INDIRETTI: IL LAVORO UMANO DIPENDE DAGLI OBIETTIVI DELL’ANALISI energia consumata durante l'attività lavorativa, dati derivati dall’ergonomia energia contenuta nella razione alimentare, dati derivati dagli studi sull’alimentazione; 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 un’ottica di LCA Per l'uomo si può passare così da 0,002 a 3.5 kgep/h di lavoro.

CONSUMI ENERGETICI PER PRODUZIONE CARNE MJ/kg kgep/kg kg/ha Invernada 7 0,16 300 Invernada con integrazione 3 0,07 500 Ristallo italia 22 0,5 1200

Fotovoltaico a film sottile 25-80[3] Chiamiamo “Ritorno Energetico sull’Investimento Energetico,” ovvero “Energy Return On Energy Investment” (EROEI) il rapporto fra l’energia che una tecnologia energetica produrrà durante la sua vita attiva e l'energia che è necessaria per costruire, mantenere, e poi smantellare la stessa Tecnologia EROEI (Elliott) (Hore-Lacy) Altri autori   Grande idroelettrico  50-250 50-200 Mini idro  30-270 Petrolio “anni d’oro”  50-100 Petrolio oggi 5-15[1] Eolico 5-80 20 Nucleare 5-100 10-60 <1[2] Fotovoltaico a film sottile 25-80[3] Fotovoltaico convenzionale (silicio) 3-9 4-9 <1[4] Carbone 2-7 7-17 Gas Naturale   5 - 6 Biomassa 3-5 5-27 Etanolo  0.6[5]-.2[6] Sabbie bituminose  <1?

fotovoltaico

Il corso in una diapositiva Attenzione a questo!!! 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 dell’investimento, EROI

EMISSIONI DI CO2 tCO2 ≈ tep  3

Confronto di emissioni di anidride carbonica delle auto EMISSIONI DI CO2 Confronto di emissioni di anidride carbonica delle auto   tCO2/tep tCO2/TJ Benzina 2,868 68,17 Diesel 3,066 73,26 GPL 2,61 62,39 metano 2,334 56,32

Biocombustibili di seconda generazione?? EMISSIONI DI CO2 PER BIOCOMBUSTIBILI A PARTIRE DA TERRENO VERGINE Biocombustibili di seconda generazione??

APPROFONDIMENTI gemis http://www.oeko.de/service/gemis/en/index.htm

ESERCIZI

CALCOLO del RENDIMENTO 27/03/2017 CALCOLO del RENDIMENTO EP EIN = quantità fonte · Potere Calorifico Inferiore 15 m3 · 8500 kcal/m3 = 127500 kcal Fumi, CO2 EIN Metano V = 15 m3 3000 kg di H2O T2 = 80 °C T1 = 40 °C EOUT EOUT = quantità fluido · salto termico · calore specifico 3000 kg ·(80-40) °C · 1 kcal/ °C·kg = 120000 kcal RENDIMENTO di 1° ORDINE EIN EOUT EP = - = 127500 - 120000 = 7500 kcal

CALCOLO delle PERDITE TERMICHE 27/03/2017 CALCOLO delle PERDITE TERMICHE Temperatura ambiente T3 = 20 °C ACQUA DENSITÀ:  = 1 kg/dm3 = 1000 kg/m3 CALORE SPECIFICO: cs = 4187 J/kg °C = 1 kcal/kg°C H2O T2 = 65 °C V = 3,5 m3 GENERATORE TERMICO T1 = 10°C C = m  cs  T = V    cs  (T2 – T1) = 3,510004187(65-10) = 806 MJ = 223,9 kWh k = W/m2 · °C

CALCOLO dell’ENERGIA POTENZIALE e della POTENZA IDRAULICA 27/03/2017 CALCOLO dell’ENERGIA POTENZIALE e della POTENZA IDRAULICA V = 5000 m3 H1 =1000 m H2 = 200 m Turbina Bacino Idrico Q = 25 dm3/s Ep = m  g  H = V    g  (H2 – H1) = 500010009,81800 = 3,9241010 Nm Ep = 39240 MJ = 10900 kWh P = Q    g  (H2 – H1) = 2519,81(1000 - 200) = 196200 Nm/s = 196,2 kW

CALCOLO della POTENZA e dell’ENERGIA TERMICA 27/03/2017 CALCOLO della POTENZA e dell’ENERGIA TERMICA ACQUA DENSITÀ:  = 1 kg/dm3 = 1000 kg/m3 CALORE SPECIFICO: cs = 4187 J/kg°C = 1 kcal/kg°C FUNZIONAMENTO tf = 6 h T2 Q = 4 dm3/s T1 Pt = Q    cs  T = 41120 = 80 kcal/s = 288000 kcal/h 1 kW termico = 1000 W = 1000 J/s = 1 kJ/s = 3600 kJ/h = 860 kcal/h Pt = 335 kWt C = Pt  tf = 3356 = 2010 kWh = 1728000 kcal

CALCOLO del DELL’ENERGIA TERMICA captata da un COLLETTORE SOLARE 27/03/2017 CALCOLO del DELL’ENERGIA TERMICA captata da un COLLETTORE SOLARE Ipotesi su FUNZIONAMENTO GIORNALIERO ENERGIA INCIDENTE Ei: 5 kWh C = Ei  η = 5  0,7 = 3,5 kWh =3010 kcal TOUT T = Tout – Ti = 30 °C TIN  = 1 kg/dm3 la densità dell’acqua cs = 1 kcal/kg°C il calore specifico dell’acqua. M = C / (T   cs) = 3100 / (30  1  1) = 100 dm3 Ut = M / Cu = 100/50 = 2

CALCOLO del DELL’ENERGIA TERMICA captata da un COLLETTORE SOLARE 27/03/2017 CALCOLO del DELL’ENERGIA TERMICA captata da un COLLETTORE SOLARE Ipotesi su FUNZIONAMENTO GIORNALIERO Tf = 24 h ENERGIA INCIDENTE Ei: 5 kWh El = Ei  η = 5  0,1 = 0,5 kWh - + Essendo 1 kWh = 1000 Wh. Pel = Eel/ Tf = 0,5  1000/ 24 = 20,83 W

= 764 (kgeq/ha) 10.000 (UF/ha)  0,21 (kgeq/UF) = = 2100 (kgeq/ha) CALCOLO ENERGIA INDIRETTA CONCIMAZIONE 1 HA DI MAIS 400 unità di N 150 unità di fosforo 75 unità di potassio 10.000 (UF/ha)  0,21 (kgeq/UF) = = 2100 (kgeq/ha) 10000 UF/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)

CALCOLO del COSTO MENSILE per il RISCALDAMENTO 27/03/2017 CALCOLO del COSTO MENSILE per il RISCALDAMENTO FUNZIONAMENTO tf = 250 h/mese METANO PCI: 38000 kJ/m3 = 9075 kcal/m3 = 10,56 kWh/m3 COSTO alla BOCCA IMPIANTO: Su = 0,568 €/ m3 QCH4 = ? m3/h T2 Pt = 288000 kcal/h = 335 kWt = POUT T1 VCH4 = QCH4 · tf = 40 · 250 =10000 m3/mese S mese = VCH4 · Su = 10000 · 0,568 = 5680 € /mese