Rame, risparmio energetico ed energie rinnovabili

Rame, risparmio energetico ed energie rinnovabili Istituto Italiano del Rame

Indice

1. Il rame: proprietà tecnologiche 2. Il rame per le energie rinnovabili 3. Il rame per l’energia eolica 4. Il rame per l’energia solare termica 5. Il rame per l’elettricità

6. Il rame e i pannelli radianti 7. Il rame e la geotermia 8. La pista di pattinaggio a Katrineholm 9. Rame e risparmio energetico: approfondimenti e bibliografia

1. Il rame: proprietĂ tecnologiche

Principali caratteristiche del rame

Ottima conduzione di elettricità e calore Lavorabilità a freddo e a caldo Resistenza meccanica Resistenza alla corrosione Resistenza alle alte e basse temperature Facilità di formare leghe Attitudine alla giunzione Possibilità di trattamenti superficiali Riciclabilità

Conduttività termica del rame

Metallo

Conduttività

Conduttività

in W/(m*K)

in %

Argento

418

107

Rame

390

100

Oro

300

77

Alluminio

210

54

Zinco

110

28

Nickel

90

23

Ferro

80

20

Titanio

22

6

16,2

4

Acciaio inox (304)

Conducibilità elettrica del rame

Metallo

Resistività in

Ω*mm2/m

Conducibilità in %

Argento

0,0159

105

Rame

0,0167

100

Oro

0,0235

72

Alluminio

0,0267

62

Zinco

0,059

28

Nickel

0,068

24

Ferro

0,095

17

Titanio

0,234

7

Acciaio inox (304)

0,689

2,5

2. Il rame per le energie rinnovabili

Il rame e il risparmio energetico

Alta conducibilitĂ elettrica e alta conduttivitĂ termica

Impianti efficienti

Risparmio energetico

Fonti di energia rinnovabile

Tecnologia

Dov’è il rame?

Eolico

Generatori, motori, cavi trasformatori

Solare termico

Scambiatori di calore, tubazioni

Solare fotovoltaico

Convertitori, trasformatori, cavi

Geotermia

Captatori nel terreno

Biomasse e biocombustibili

Generatori, cavi

Idroelettrica

Generatori, trasformatori,

Maree

cavi generatori, cavi per raccolta e trasmissione di energia

3. Il rame per l’energia eolica

Energia eolica

In una turbina da 1MW: da 3 a 4 tonnellate di rame

Energia eolica Generatore: avvolgimenti di rame

Trasformatore: avvolgimenti di rame

Stazione di trasmissione: avvolgimenti di rame

Cavi di potenza in rame

4. Il rame per l’energia solare termica

Il rame negli impianti del solare termico

Circuiti di collegamento Collettori Accumuli

Immagine da: AmbienteItalia: “Impianti solari termici Manuale per la progettazione e costruzione�

Il rame negli impianti del solare termico: i collettori

ConduttivitĂ

Resistenza alle alte temperature

Trattamenti chimici di annerimento

Giunzioni con le piastre sottili

Il rame negli impianti del solare termico: i circuiti di collegamento

Resistenza alle alte T Superficie interna liscia Diametri minori

Tubi WICUÂŽ Solar Duo, da KME

Il rame negli impianti del solare termico: i serpentini degli accumuli

Immagine da presentazione SolarPraxis: “Impianti solari termici - Corso per installatori�

Tetto energetico: la struttura

(Tecu® Solar Roof)

TUBO DI RITORNO

SUPERFICIE CAPTANTE IN LAMIERA DI RAME TUBO DI MANDATA MODULO CAPTANTE IN LAMIERA DI RAME

SERPENTINA DI RAME A SEZIONE OVOIDALE

Tetto energetico

Sistema in moduli Varie finiture Integrazione con la copertura

Tetto energetico: residenza “I fenicotteri� (Cagliari)

Tetto energetico: Dynamo Camp (Limestre, PT)

Tetto energetico: villa privata (Arona, NO)

Facciata energetica: piscina a Pori (Finlandia)

Facciata energetica: piscina a Pori (Finlandia) In facciata

80 m2 di collettori in facciata

Sul tetto

360 m2 di pannelli PV e 200 m2 di collettori

Facciata energetica: la piscina a Pori (Finlandia) • Collettori solari: 5% del fabbisogno di calore (120.000 kWh) • In estate: riscaldamento sufficiente per piscina all’aperto

5. Il rame per l’elettricitĂ

Motori elettrici: efficienza = risparmio

Esempio: motore da 15kW costo di 520 € 3500 h/anno 10 anni, En.el. 0,07€/kWh

da: S.Vignati, E.Ferrero, “I motori elettrici ad alta efficienza”

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

• In genere, nei motori standard fino a 10 kW c’è 1 kg di rame per kW; • gli HEM contengono il 20% di rame in più.

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

Attrito meccanico, effetto Joule e correnti parassite: negli HEM queste perdite sono ridotte attraverso la scelta dei materiali, del design e dell’assemblaggio degli elementi.

Rame, sezione maggiorata dei conduttori: meno perdite di energia e surriscaldamenti T piĂš basse: il motore dura di piĂš e necessita di ventole di raffreddamento piĂš piccole.

Meno attriti meccanici, meno volume e meno rumore.

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

da: H. De Keulenaer, R.Belmans, E. Blaustein, D. Chapman, A. De Almeida, B. De Wachter, P. Radgen: „Energy Efficient Motor Driven Systems�

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

Gli investimenti necessari (rame in piĂš e le apparecchiature) sono compensati dai risparmi ottenuti.

Ritorno dell’investimento (payback)

Da 3 mesi a 3 anni

Importazioni combustibili fossili

- 6%

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.): impatto ambientale LCA (produzione, utilizzo, fine vita) di 3 motori ad induzione da 22 kW (pompaggio di acqua, aria compressa o ventilazione) Vita utile: 20 anni, carico 50%, Efficienza: 89,5% / 91,8% / 92,6%

“Each additional kg of copper use saves well over 3 tonnes of CO2e emissions in this particular application.

Given that one kg of copper takes 3 kg of CO2eq emissions in production (for electrical applications, [Copper, 2006]), the environmental payback is more than a factor 1000, while at the end of life, the kg copper can be recycled for the next application.”

H. De Keulenaer, C. Herrmann, F. Parasiliti: “Ecosheet - 22 kW induction motors with increasing efficiency”

Trasformatori ad alta efficienza (H.E.M.) impatto ambientale LCA di 3 trasformatori industriali da 1,6 MVA Vita utile: 30 anni, carico 50% Classe (secondo CENELEC HD 428) : AA’ / CC’ / C-Amorphous Classe

Rame (kg)

CO2 (t)

AA’

505

897

CC’

725

683

C-Amorphous

1225

522

“Each additional kg of copper use saves over 500 kg of CO2 eq emissions in this particular application.”

H. De Keulenaer: “Ecosheet – 1,6 MVA industrial transformer design with increasing efficiency”

6. Il rame e i pannelli radianti

I pannelli radianti

Il calore viene fornito per irraggiamento dal pavimento o dalla parete

Immagine da: KME Solar

Pannelli radianti: la UNI EN 1264-2 Per un materiale, il dato più importante è la conduttività termica Materiale Tubo di rame

Conduttività termica 390

Tubo PE-X

0,35

Tubo PB

0,22

Tubo PP

0,22

Tubo in PVC senza scanalatura

0,2

Tubo in PVC con scanalatura

0,15

Conduttori in alluminio

200

Tubo di acciaio

52 UNI EN 1264-2, prospetto A.15

W/(m*K)

Pannelli radianti, l’influenza della tubazione: resa termica del pavimento

Passo (cm)

Rame (W/m2)

Pex ( W/m2)

differenza

Pavimento: parquet

5

127

118

+ 7%

T ambiente: 20°C

10

122

108

+ 12%

12

120

104

+ 15%

T media acqua: 40°C

15

116

98

+ 18%

20

108

88

+ 22%

25

100

79

+ 26%

30

92

71

+ 29%

Si considera la soletta classica, con 3 cm di isolante

Tabella tratta da: “Impianti termici di benessere”, di S. Gioria. pagg. 30-32.

Pannelli radianti Vantaggi del tubo di rame Passo maggiore ďƒ&#x; meno metri di tubo Meno curve ďƒ&#x;

meno perdite di carico

No additivi per il cemento Dilatazione termica minore Sistema ModulRadiantÂŽ

Pannelli radianti Durata del tubo di rame

Cattedrale di Lodi Impianto a pannelli a pavimento installato nel 1964.

Oltre 5.800 metri di tubo di rame.

Pannelli radianti Impianti a parete Sede Naturalia-BAU s.r.l., Merano (BZ) Arch. Dietmar Dejori, 2008

E’ il primo edificio commerciale a emissioni zero

Fabbisogno energetico:

7,44 kWh/m² (CasaClima ORO) • Impianto geotermico • Impianto fotovoltaico • Pareti e tetti coibentate • Finestre a tre strati

7. Il rame e la geotermia

La geotermia

Serpentine interrate “prelevano” il calore del terreno per riscaldare la casa.

In estate l’impianto può essere usato per il raffrescamento.

Immagine da: www.sofath.com

Il tubo di rame per la geotermia

Tubi di rame per i captatori nel terreno: • Fluido refrigerante R410 • Resistenza alle alte P • Basse perdite di carico • Minore occupazione di spazi

Tecnologia Sofath, gamma Caliane dex

Geotermia Confronto tra sistemi con rame e con plastica Sono stati presi in considerazioni due sistemi geotermici di potenza simile, per confrontare la loro resa attraverso la superficie di terreno occupata dai captatori.

Confronto: tecnologia DEX/acqua glicolata Modello

Caliane 15.10:

Termeo 14 Cap.:

Descrizione

Pompa di calore, tubo in rame

Acqua glicolata, tubo in plastica

Potenza Potenza assorbita Potenza prelevata

Superficie di terreno occupata Resa

15.100 Wterm

14.050 Wterm

3.660 Wel

3.510 Wel

11.440 W

10.540 W

270 m2

450m2

42,37 W/m2

23,42 W/m2 Dati tratti da presentazione tecnica Sofath

8. La pista di pattinaggio a Katrineholm

Pista di pattinaggio a Katrineholm

Una pista di ghiaccio per pattinaggio consuma in media 1.000-1.500 MWh/anno.

Per minimizzare i costi di gestione, a Katrineholm (Svezia) hanno scelto un impianto di raffreddamento con CO2 come fluido refrigerante e tubi di rame

Pista di pattinaggio a Katrineholm Il fluido refrigerante

Fluido refrigerante: CO2 al posto di acqua+CaCl2 • La CO2 riduce del 90% l’energia da dare alle pompe di circolazione.

• La CO2 è un sottoprodotto di altri processi industriali.

Pressione di lavoro: 40 bar.

Scelta tra tubi di rame e acciaio

Pista di pattinaggio a Katrineholm Il tubo Tubi di rame e non di acciaio: • Eccezionale conduttività termica • Più semplici da giuntare (brasatura) • Più semplici da installare • Disponibilità di rotoli fino a 60 m • Riciclabilità totale Tubo di rame: ½’ x 0,85 mm

pellicola in PE (spessore, 0,45 mm) pulizia interna a norma EN 12735 Sviluppo complessivo: 18 km

Pista di pattinaggio a Katrineholm calcoli numerici (tubi, passo, portata)

T di evaporazione della CO2 (in °C), necessaria per ottenere una T superficiale del ghiaccio di –4°C, al variare del trasferimento di calore (passo di 100 mm)

Trasferimento di calore, in W/m2

Tubo 50

100

150

200

250

300

Rame ½’ con rivestimento PE

-6,03

-7,77

-9,50

-11,24

-12,97

-14,71

Rame ½’ senza rivestimento PE

-5,87

-7,46

-9,04

-10,62

-12,20

-13,79

Acciaio 21,3 mm

-5,89

-7,34

-8,78

-10,22

-11,67

-13,11

Plastica 25 mm

-7,83

-9,65

-11,47

-13,29

-15,11

-16,93

Pista di pattinaggio a Katrineholm caduta di temperatura nei materiali del tubo

100 W/m2, 100 mm

Dentro la parete in rame (spessore 0,85 mm)

0,001°C

Dentro la pellicola PE (spessore 0,45 mm)

0,31°C

Pista di pattinaggio a Katrineholm risparmi energetici ottenuti

Pompa per circolazione CO2 Impianto tradizionale (fluido: acqua e CaCl2): 12-15 kW (media: 13,5 kW)

13,5 kW x 8000 h/anno circa = 108.000 kWh/anno la pompa per la CO2 consuma il 90% in meno: circa 97.200 kWh/anno Temperatura della CO2 e conduttività termica del rame Circa 50.000 kWh/anno Totale risparmio del sistema rame+CO2 Circa 150.000 kWh/anno (Al costo dell’elettricità svedese: 15.000 €)

Pista di pattinaggio a Katrineholm risparmi ottenuti

Ritorno dell’investimento Costo supplementare per il “sistema” rame+CO2 : +75.000 € Ritorno dell’investimento: poco più di 5 anni

Inoltre: • Impianto per il recupero del calore generato dal sistema di refrigerazione e altre ottimizzazioni dell’impianto: 400.000 kWh/anno • Alla fine del ciclo di vita dell’impianto: tubo facilmente riciclabile • Premio dalla Agenzia di Protezione Ambientale svedese

9. Rame e risparmio energetico: approfondimenti e bibliografia

Bibliografia e approfondimenti Risparmio energetico, energia solare, geotermia IIR: “Il tubo di rame e il risparmo energetico” (brochure: www.iir.it/newslett/Newsletter%20risparmio%20energetico.pdf) ECI-CEDIC: “Copper: solar Energy’s perfect partner” (www.eurocopper.org/doc/uploaded/File/PK%20Copper%20Solar%20Energy% 20EN%20171006.pdf) Sito IIR: “Solare e Geotermia” (www.iir.it/applicazioni/solare.asp) ECI: “Copper at the core of Renewable energies” (www.eurocopper.org/doc/uploaded/File/Press%20Kit%20Copper%20in%20Re newables%20Final%2029%2010%202008.pdf) ECI, Solarapraxis: “Impianti solari termici, corso per installatori” (presentazione) IIR: “Il rame per una casa più sostenibile” (brochure: www.il-rame-nobilita-lacasa.it/media/63946/il_rame_per_una_casa_pi__sostenibile.pdf) KME: “Tecu® Solar System” Documentazione tecnica Sofath

Bibliografia e approfondimenti Motori elettrici H. De Keulenaer, C. Herrmann, F. Parasiliti: “Ecosheet - 22 kW induction motors with increasing efficiency”, May 2006 (www.leonardoenergy.org/webfm_send/359) A.Baggini, F.Bua: “Motori elettrici ad alta efficienza e risparmio energetico” (U&C, lug./ago 2008)

H. De Keulenaer: “Ecosheet – 1,6 MVA industrial transformer design with increasing efficiency” (www.leonardo-energy.org/files/root/pdf/2006/Case6-trafo1600-50.pdf ) S.Vignati, E.Ferrero: “I motori elettrici ad alta efficienza” (Gestione energia, n.4/2004, http://motorchallenge.casaccia.enea.it/motori_elettrici.pdf) H. De Keulenaer, R.Belmans, E. Blaustein, D. Chapman, A. De Almeida, B. De Wachter, P. Radgen: “Energy Efficient Motor Driven Systems” (www.leonardoenergy.org/webfm_send/2631) Leonardo Energy (www.leonardo-energy.org/high-efficiency-motor-systems)

Bibliografia e approfondimenti Pannelli radianti e pista di pattinaggio IIR: “Rame. Il materiale ideale per il riscaldamento radiante” (brochure: www.iir.it/newslett/prof_11_1.htm) M. Crespi: “Il rame scalda la cattedrale da oltre 40 anni” (GT, ott. 2006 www.iir.it/attivita/pdf/articoli/GT%20cattedrale%20Lodi%2010-2006.pdf) S. Gioria: “Impianti termici di benessere” K. Shahzad: “An Ice Rink Refrigeration System based on CO2 as Secondary Fluid in Copper Tubes” (Dottorato di ricerca; Royal Institute of Technology, Stoccolma, 2006) (www.vintersportarenor.se/media/1121/ice%20rink%20co2+cu_tube%20thesis%20feb06.pdf)

J. Rogstam, S. Sawalha, P.O. Nilsson: “Ice Rink Refrigeration System with CO2 as Secondary Fluid” (ScanRef 5-2005) (www.iucsek.se/upload/Media/Artikel%20Ice%20rink%20Scanref%20sep05.pdf) M. Crespi: “Una pista di pattinaggio con impianto a CO2” (Costruire Impianti 32008: www.iir.it/attivita/pdf/articoli/Costruire%20Impianti%203-2008%20%20Una%20pista%20di%20pattinaggio%20con%20impianto%20a%20CO2.pdf)

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Agosto 2012