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