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12-02-2008
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Dal mondo HVAC&R
LE SUPERIORI PRESTAZIONI DEL RAME
Una pista di pattinaggio con impianto a CO2
di Marco Crespi*
Un sistema costituito da un circuito tubiero di rame e da un impianto di refrigerazione a CO2 per una pista di pattinaggio in Svezia, ha confermato le capacità del rame di lavorare con le elevate pressioni caratteristiche di questo fluido, ha permesso importanti risparmi nell’utilizzo dell’energia, e perciò nei costi di gestione, oltre che un’azione efficace verso la tutela dell’ambiente
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o Sveriges Energi & Kylcentrum (SEK) è un centro ricerche/laboratorio svedese che si occupa di energia e refrigerazione per usi civili ed industriali. Ad esso si sono rivolte le Autorità Locali per limitare i costi di una pista di pattinaggio su ghiaccio a Katrineholm, una città situata ad un centinaio di chilometri da Stoccolma. Generalmente una pista di ghiaccio consuma 1.000 - 1.500 MWh all’anno, di cui metà va per il sistema di raffreddamento e il resto in riscal-
Il riciclo del rame Il riciclo può essere visto come un’altra forma di risparmio energetico. Uno dei motivi che hanno spinto i progettisti svedesi a scegliere il rame è stata proprio la sua totale riciclabilità, senza che le sue caratteristiche fisiche e tecnologiche iniziali subiscano un decadimento. Infatti, producendo “nuovo” rame da “vecchi” rottami si ottengono tre risultati contemporaneamente: si riduce lo sfruttamento delle miniere, si risparmia fino all’85% di energia rispetto all’estrazione mineraria di partenza e non si incrementa il volume dei rifiuti accumulato nelle discariche o da smaltire. I paesi tecnologicamente evoluti, tra cui l’Italia, hanno un tasso di riciclo superiore al 40%: e tale limite è imposto esclusivamente dalla disponibilità attuale di rottami; è anzi molto probabile che una parte del rame negli oggetti di uso quotidiano (tubi, fili, lastre e oggetti artistici) sia stato estratto anche secoli fa, lavorato e fuso più volte.
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damento e illuminazione. La scelta compiuta dalla SEK è stata quella di adottare tubi di rame e CO2 come fluido refrigerante, al posto della classica miscela di acqua e sale -generalmente cloruro di calcioutilizzata con i tubi di materiale plastico. La CO2, cioè il biossido di carbonio, è stata scelta per le sue vantaggiose caratteristiche, che permettono di ridurre del 90% l’energia da fornire alle pompe. Inoltre il biossido di carbonio non deve essere prodotto appositamente essendo un sottoprodotto di altri processi industriali. Con questo fluido la scelta del materiale per le tubazioni è ristretta tra rame e acciaio, gli unici in grado di sopportare le alte pressioni di esercizio, intorno ai 40 bar. Storicamente, i vecchi impianti per le piste del ghiaccio erano in acciaio, ma ora la scelta è caduta sul tubo di rame, molto più facile da installare, con giunzioni a brasare a tenuta e la disponibilità in rotoli di lunghezze elevate. I vantaggi del rame Oltre a permettere l’utilizzo della CO2, il rame ha il vantaggio della eccezionale conduttività termica, che lo rende ideale per i processi di scambio di calore: questo permette una regolazione più veloce ed efficace della temperatura del ghiaccio, il che procura anche una migliore qualità del ghiaccio stesso. Non ultimo, il rame è stato scelto anche per la sua completa riciclabilità, fattore molto importante una volta che la pista di pattinaggio sarà smantellata o ricostruita. I tubi di rame che corrono sotto la pista (dimensioni: 1/2” x 0,85 mm, con una sottile pel-
IN ALTO. UNA VISTA D’INSIEME DELLA STESURA DEI TUBI DI RAME SULLA PISTA, PRIMA DI ESSERE COPERTI DA UN FILM DI POLIETILENE DALLO SPESSORE DI 0,5 MM. IN BASSO. UNA FASE DELLA POSA IN OPERA DEI TUBI DI RAME SULLA BASE DI CEMENTO.
licola di plastica) hanno una purezza del 99,90% (tipo Cu-DHP) e sono adatti per usi di condizionamento e refrigerazione; posseggono composizione chimica e pulizia interna secondo la norma EN 12735. Il loro sviluppo complessivo è di 18 km e sono stati posati con un passo di 10 cm. Le caratteristiche della pista Le dimensioni della pista sono di 30x60 m, ed è destinata a competizioni di hockey. Ogni circuito di tubo di rame è lungo 120 metri (quindi percorre due volte la lunghezza della pista, tra andata e ritorno). La pista è realizzata all’interno di un apposito edificio per lo sport. Prima di costruire la pista di pattinaggio vera e propria, ne è stata costruita una pilota di 50 m2, dalle dimesnioni di 5 x 10 metri, che ha permesso di verificare i potenziali risparmi e i costi di gestione, nonché testare aspetti legati all’impianto, al con-
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15-02-2008
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Dal mondo HVAC&R trollo delle pompe e alla costruzione della superficie della pista stessa. Il comportamento del rame nel cemento La SEK ha anche valutato il comportamento del rame nel cemento: dal momento che quest’ultimo è di natura basica, non sono stati riscontrati problemi; sebbene ci sia una certa differenza di espansione termica tra cemento e tubo, gli stress meccanici rimangono bassi: nella pratica la pista pilota è stata sottoposta a cicli oscillanti tra –15°C e + 20°C (condizioni invernali ed estive), senza che vi fossero segni di danni tecnici sull’intero sistema. I vantaggi gestionali E’ stata calcolata la differenza tra i costi di gestione annuali di questo nuovo impianto e quelli di uno tradizionale di pari caratteristiche: i minori costi dovuti al risparmio nell’utilizzo dell’energia elettrica per la refrigerazione sono stati quantificati 20.000 euro, quelli per il minor utilizzo di riscaldamento (grazie al recupero di calore) in 13.500 euro, perciò per un totale di 33.500 euro/anno.
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LE SUPERIORI PRESTAZIONI DEL RAME
Un’analisi nel dettaglio permette di verificare come si ottengono questi risparmi: i minori quantitativi di energia elettrica richiesta dalle pompe di circolazione consentono un risparmio di circa 100 MWh (che al costo del kWh in Svezia si traduce in un risparmio di 10.000 €); oltre a questo, grazie all’alta conduttività termica del rame e alla temperatura della CO2 nei tubi, si ottiene un ulteriore risparmio di altri 50 MWh. Infine, altri risparmi relativi a questa struttura specifica (ma non compresi nel “sistema” tubi di rame +CO2) portano il risparmio complessivo di energia elettrica fino a 200 MWh su base annua. Oltre al risparmio di 20.000 € sopra citato, ce n’è uno ulteriore di 13.500 € dovuto al seguente accorgimento: il calore generato dal sistema di refrigerazione è stato usato per riscaldare l’acqua necessaria per ripristinare la superficie usurata del ghiaccio, gli spogliatoi e la protezione anti-gelo sotto la pista ( evitando così il permafrost e la spaccatura del cemento). Il tutto permette un risparmio di 400 MWh all’anno altrimenti necessari per il riscaldamento. La stima economica, che tiene conto anche degli investimenti extra di circa 170.000 € (75.000-100.000 € per l’impianto a CO2 e 70.000 € per il sistema di recupero del calore) prevede un pay-back in un tempo poco superiore ai 5 anni. Un valore ben accettabile, considerando un ciclo di vita compreso tra i 20 e i 40 anni.
IN ALTO. I COLLETTORI DI MANDATA E RITORNO DELLA CO2 SONO STATI INSTALLATI SUL LATO CORTO DELLA PISTA, PER RIDURRE LA LORO LUNGHEZZA E IL NUMERO DI GIUNZIONI NECESSARIE. SONO STATE ESEGUITE BRASATURE AL RAME-FOSFORO.
Conclusioni Si possono, in conclusione, riassumere le caratteristiche di questo nuovo impianto con tubi di rame: • Il risparmio elettrico complessivo del “sistema con tubi di rame e CO2 “ è di circa 150 MWh all’anno. • L’energia elettrica non prodotta corrisponde a circa 11 tonnellate di CO2 non emesse in atmosfera. • Inoltre si evita ogni anno l’emissione di 132 kg di ossido di azoto, 50 di zolfo e 17 di polveri. • Si risparmiano inoltre 400 MWh all’anno per il riscaldamento dell’intero sistema
IN BASSO. IL TUBO DI RAME È STATO SCELTO NON SOLO PER LA SUA ECCELLENTE CONDUTTIVITÀ TERMICA, MA ANCHE PER LA MAGGIORE LAVORABILITÀ RISPETTO ALL'ACCIAIO E LA DISPONIBILITÀ DI ROTOLI DI LUNGHEZZA ELEVATA.
Il progetto di questo impianto è stato premiato dalla Naturvårdsverket (l’Agenzia della protezione Ambientale della Svezia - Swedish En-
viromental Protection Agency) con il Guldklimpar (“la pepita d’oro”), per il suo contributo al taglio delle emissioni dei gas responsabili dell’effetto serra. Si ringraziano per la collaborazione Mariann Sundberg e Pia Voutilainen (Scandinavian Copper Development Association), David Sharp (Outokumpu Copper Products AB), Jorgen Rogstam (Sveriges Energi & Kylcentrum). * Istituto Italiano del Rame, Milano
La CO2 vantaggi e limiti L’anidride carbonica, anche nota come biossido di carbonio, è formata da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno e, in condizioni di temperatura e pressione normali, si presenta in forma gassosa. La molecola è relativamente inerte: non è infiammabile, dal momento che il suo carbonio non è ulteriormente ossidabile dall’ossigeno. E’ un gas incolore, inodore e facilmente reperibile, dal momento che è presente nell’atmosfera (intorno alle 380 parti per milione). La CO2 era già largamente utilizzata come fluido frigorigeno prima della seconda guerra mondiale, quando venne abbandonata per i CFC e altri gas sintetici. Recentemente, in base a considerazioni ambientali, si sta ritornando ai gas “naturali”, grazie alla loro economicità, non tossicità e non dannosità per l’ambiente. Quest’ultimo aspetto può essere sorprendente, dal momento che negli ultimi anni la CO2 è associata all’effetto serra, ma in realtà il suo GWP (Global Warning Potential, cioè il suo effetto potenziale sul surriscaldamento globale) è inferiore a quello di altri gas, come l’ozono, il metano e altri idrocarburi alogenati usati nella refrigerazione. Gli svantaggi sono legati alla bassa temperatura critica (31°C) rispetto ai refrigeranti sintetici tradizionali e alle più alte pressioni di lavoro, ma la tecnologia attuale ha superato con successo questi due ostacoli, fornendo macchinari efficienti e sicuri. I campi di impiego più interessanti per il biossido di carbonio come refrigerante sono quelli della refrigerazione industriale e commerciale, per i condizionatori degli autoveicoli e pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria
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