Corso di formazione sul teleriscaldamento da solare termico

Progetto IEE 2008SDHtake-off - Solar DistrictHeating in Europe

Corso di formazione sulteleriscaldamento dasolare termico

The sole responsibility for the content of this document lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the funding authorities. The funding authorities are not responsible for any use that may be made of the information contained therein.

Queste diapositive sono state sviluppate nel contesto del progetto “SDHtake-off”, co-finanziato dal programma “Intelligent Energy Europe”.Esse non costituiscono necessariamente un insieme coerente ed esaustivo, quanto piuttosto un archivio di diapositive dal quale ogni ente di formazione può prendere informazioni.

Le diapositive originali possono essere fornite, sotto richiesta, dal coordinatore del progetto:Thomas Pauschinger, SFZ Solites: [email protected]

Avvertenza

1. Perché il teleriscaldamento da solare termico (Solar DistrictHeating, SDH)?

2. Mercato

3. Tecnologia solare termica

4. Impianti SDH

5. Funzionamento e manutenzione

6. Regolamenti e iter amministrativi

7. Esempi e casi studio

Programma

Benefici per l’industria del teleriscaldamento:• Diversificazione delle fonti energetiche e riduzione del consumo di

combustibile• Rispetto delle nuove legislazioni sui requisiti minimi per la produzione di

energia da fonti rinnovabili• Aumento dell’accettabilità di nuovi impianti di teleriscaldamento da parte di

enti locali e singoli cittadini• Elevata affidabilità di funzionamento (bassa manutenzione)• Tempo di vita lungo• “Combustibile” gratuito e a emissioni zero

Perché il teleriscaldamento da solare termico (SDH)?

Benefici per l’industria solare termica:• Nessun costo di investimento iniziale sostenuto dall’utente finale• Basso costo di investimento specifico (€/m2) e possibilità di raggiungere

l’effetto scala• Aumento del know-how tecnico per l’integrazione del solare con altre fonti

energetiche in sistemi complessi• Stimolo per l’innovazione tecnologica e incremento del mercato

Perché il teleriscaldamento da solare termico (SDH)?

Fonte: www.estif.org

MercatoSituazione attuale

Dati aggiornati su:

www.estif.org


Dati per 1.000 abitanti


Dati aggiornati su:

www.estif.org



Dati aggiornati su:

www.estif.org

10

Interesse e mercato crescenti

!?

< 1% ”grandi”impianti!?


11

• Riscaldamento e raffrescamento

• Riscaldamento di ”isolato” e di quartiere per aree nuove ed esistenti

• Nuovi (o esistenti) complessi (industrie, alberghi, ecc.)

• Impianti di grande taglia: > 500 m2 (350 kWth)

Montaggio dei collettori per un impianto di ”solar cooling” a Qingdau, Cina, 2006


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Analisi SWOT

• S (forza): Calore da rinnovabili si trova ovunque

• W (debolezza): Bassa densità energetica (dimensione, localizzazione), ma…area 30 volte più grande per biocombustibili

• O (opportunità): nuove opportunità di business per il teleriscaldamento in città e piccoli paesi…teleraffrescamento

• T (minacce): Mancanza di incentivi, interesse e know-how(politica, decisori, utility, ecc.), rete del gas, calore di scarto…


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Nel 2007

• Solo 120 impianti > 500 m2 / 350 kWth

• > 30 impianti > 1 MWth / 1 400 m2

> 15 per teleriscaldamento di quartiere> 10 per teleriscaldamento di „isolato“> 5 con grandi accumuli stagionali> 5 di „solar cooling“

• > 20 anni di esperienza, ma pochi produttori e „service provider“ specializzati


DTU COP 14 Jan 2009 - SDH 2010 14

18

37 16

8

1

16

21

125 Impianti> 500 m2 / 350 kWth

(2009)

3

13

1

3

1414

12 10

3

1Fonte: Jan-Olof Dalenback, EnerMa

DTU COP 14 Jan 2009 - SDH 2010 15

7

4

3

13

5

~ 40 impianti > 1 MWth (2009)

1

2

1

1

1

66

1Fonte: Jan-Olof Dalenback, EnerMa

DTU COP 14 Jan 2009 - SDH 2010 16

Svezia e Danimarca (2007)

> 350 kWth> 3 500 kWth

~ 50% della superficie in

impianti >350 kWth

Fonte: Jan-Olof Dalenback, EnerMa

17

1 m2 pro capite~ 5 % del teleriscaldamento in Svezia

Ærø ~ 4 m2 pro capite(Austria: 0.4 m2)

Marstal


18

Copre il 30% del

fabbisogno termico

Marstal


I più grandi impianti solari con collettori montati a terra (Febbraio 2010)

Legend: B = Boiler; CHP = Combined Heat and Power; DH = District Heat; WP = Wood pellet; *Calculated


Legend: Heat = Net solar heat; BTES = Borehole Thermal Energy Storage; HP = Heat Pump; CWT = Concrete water tank; DH = District Heat


I più grandi impianti solari con collettori montati su tetto (Febbraio 2010)


I più grandi impianti solari per riscaldamento e raffrescamento in diverse applicazioni (Febbraio 2010)

Database degli impianti su:www.solar-district-heating.eu/SDH/LargeScaleSolarHeatingPlants.aspx


• Impianti pilota già in funzione dagli anni ‘80• Poche aziende specializzate• Molti impianti con collettori su tetto, ma Danimarca e Svezia utilizzano sempre il

terreno• 60% degli impianti sono stati connessi a reti e a edifici esistenti• Spesso integrati con impianti a biomassa• 80% degli impianti utilizzati collettori piani vetrati di grande dimensione• La maggior parte è dimensionata per coprire il carico estivo (solo acqua calda

sanitaria) e ha un acumulo giornaliero• 20 impianti presentano un accumulo stagionale e permettono di raggiungere fattori di

copertura più elevati


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VISIONE

“Il calore solare può coprire più del 10% dell‘energiatermica da teleriscaldamento in Europa”

1% potrebbe essere realizzabile in 10÷20 anni

10% richiede l’utilizzo di accumuli stagionali

MercatoTendenze e potenziale

• Tecnologia fondamentale per raggiungere gli obiettivi al 2020

• Oggi il “calore venduto” rappresenta circa il 9% del fabbisogno termico in Europa

• Tendenze verso…• Integrazione tra diverse fonti energetiche• Frazioni solari elevate: 10÷20% con accumuli giornalieri e 50÷70% con

accumuli stagionali


• Obiettivo di 20 PJ (5.6 TWh) al 2020 (crescita necessaria: +35%) per arrivare a 1% del teleriscaldamento in Europa


Case monoe bi-familiari

CondominiQuartieri

Dimensione impianto

5 -10%

Fraz

ione

sola

re

50%

25%

Germania

Fonte: Solites


Germania

Fonte: Solites


Maggiori informazioni su…

Solare termicowww.assolterm.itwww.estif.orgwww.rhc-platform.org

Teleriscaldamentowww.airu.itwww.euroheat.orgwww.ecoheat4.euwww.ecoheatcool.org

Mercato

Vetro

Fonte: Idaltermo

Scatola di contenimento

Isolamento

Assorbitore

Tubi

Tecnologia solare termicaFunzionamento

Fonte: Target/ISFH

Radiazione solare Rilfessione

Trasmissione

Assorbimento Riflessione Convezione

Perdite perPerdite per

Radiazione

Calore utile

Perdite per

Tecnologia solare termicaFunzionamento

Tecnologia solare termicaProdotti

Fonte: Viessmann

Fonte: Microtherm

Tecnologia solare termicaProdotti

• Resa: 300÷800 kWh/m2 anno• L’efficienza dipende dalla temperatura di funzionamento• Condizioni operative:

• Temperatura massima (stagnazione): p.es. 200 °C• Pressione massima: p.es, 8 bar (testati fino a 16 bar)• Portata: p.es. 50 l/h m2; portate tipiche per gli impianti a terra in Danimarca

sono 6÷35 l/min• Controllare scheda dati collettore solare

Tecnologia solare termicaCondizioni operative

NB. Irraggiamento di 1000 W/m2

G

TTaG

TTa amam2

210


0.0104.00.75

Piano vetrato a media prestazione

0.0083.00.80

Piano vetrato a elevata prestazione

0.0051.00.75

Tubi sottovuoto a elevata prestazione

[W/(K²·m²)][W/(K·m²)][-]

a2a1η0

Tecnologia

Sono qui riportati valori indicativi. I valori specifici per ogni modello di collettore sono reperibili sulla sua scheda dati.


• Il congelamento viene evitato utilizzando, come fluido termovettore, una miscela diacqua e glicole

• Il sovrariscaldamento viene evitato mediante un corretto dimensionamento. Se siverifica in condizioni straordinarie, gli impianti sono dotati di sistemi di sicurezza chassicurano un intervento immediato


• EN 12975-1 Thermal solar systems and components - Solar collectors - Part 1: General requirements

• EN 12975-2 Thermal solar systems and components - Solar collectors - Part 2: Test methods

• CEN/TS 12977-1 Thermal solar systems and components – Custom built systems –Part 1: General requirements

• CEN/TS 12977-2 Thermal solar systems and components – Custom built systems -Part 2: Test methods (Annex C and D)

• Prova di resa ed efficienza

• Durabilità e affidabilità

• Monitoraggio

• Sicurezza

www.solarkeymark.org

Tecnologia solare termicaQualità e certificazione

39

100-70 °C40-50 °C

Impianti SDHSchemi e integrazione


40

Centralizzato



41

Distribuito



42

Distribuito

Ritorno: 40-50 °C

Collettori su tetto



• www.meteonorm.com

• http://sunbird.jrc.it/pvgis(sviluppato per il fotovoltaico, ma valido anche per il solare termico)

Impianti SDHValutazione risorsa solare

O

E

N

S

O

E

N

S

= inclinazione (il valore ottimale dipende dal sito e dall’utilizzo dell’energia)

= azimut

O


Fonte: Target/ISFH

Est Sud Ovest

Ovest

Sud Est


Fonte: ENEA


File parallele anche di 20 collectors di grandedimensione (10÷15 m2)

Criteri:• Superficie disponibile• Costo• Frazione solare• Connessione serie / parallelo

Impianti SDHSuperficie dei collettori

Impianti SDHSuperficie dei collettori

Resa annuale di energia solare per m² diiterreno [kWh/m2 anno]:qland = 0.15 * G0

RT è un fattore di correzione in temperatura: resa solare alla temperaturadi funzionamento divisa per la resa solarea 50 °C:RT = Qsolar,actual/Qsolar,50

La resa dipende sostanzialmente dallatemperature operative della rete diteleriscaldamento.

Impianti SDHResa

Impianti SDHResa

SF = Qsolar,actual/Qtotal,production

Per basse frazioni solare (< 20%), stima approssimativa:Qsolar,low = 0.15 * G0 * Aland

Per frazioni solari elevate, sono necessari approfondimenti con calcoli e simulazioni.

Impianti SDHResa

La taglia dell’accumulo dipende da:• superficie dei collettori• frazione solare attesa• presenza di altre fonti di generazione (pompa dicalore, motore a gas, ecc.)• carico termico complessivo

Fonte: Energistyrelsens Teknologikatalogwww.ens.dk/Documents/Netboghandel%20-%20publikationer/2010/Technology_data_for_energy_plants.pdf

Incertezza rilevante :- per elevate frazioni solari- in presenza di pompa di calore

Impianti SDHAccumulo

Fonte: Solites



Rapporto tra perdite di calore e volume

Esempio di output di impianto

Tipologie di accumulo: • Serbatoio - Tank thermal energy storage (TTES)• Piscina - Pit storage (water pond) (PTES)• Sonde - Borehole (BTES)• Falda - Aquifer (ATES)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

100 1,000 10,000 100,000

Inve

stm

ent c

ost p

er m

³ wat

er e

quiv

alen

t [€/

m³]

Storage volume in water equivalent [m³]

Tank thermal energy storagePit thermal energy storageBorehole thermal energy storageAquifer thermal energy storage

Neckarsulm(1. phase)

Rottweil

Stuttgart

Hamburg

Friedrichshafen Chemnitz

Rostock

Steinfurt

Hanover

Ilmenau

Crailsheim

Munich

Crailsheim

Eggenstein

Marstal (DK) Costi specifici dell’accumulo in impiantidimostrativi (IVA esclusa)


Serbatoio: soluzione economicamente buona fino a circa 10.000 m3 di acqua equivalente, secondo il materiale (acciaio o cemento).

Piscina: riduce le perdite termiche dell’accumulo, quando opera assieme a una pompa di calore

Sonde:• Grande scambiatore di calore verticale e impiego del terreno come accumulo• Circa lo stesso costo della piscina per m3 di acqua equivalente• Spesso più economico del serbatoio, ma non è possibile realizzarlo ovunque• Il costo dipende dalle condizioni del suolo

Falda:• Presenza di falde acquifere naturali• L’acqua viene pompata in superficie, riscaldata e inviata di nuovo nel sottosuolo• Necessità di studi approfonditi• Importante controllare se ci sono flussi di liquido in contatto con l’accumulo, perché ciòincrementa le perdite


• La pompa presenta spesso una portata regolabile per impostare la temperatura diuscita desiderata

• Solitamente si imposta un delta T nei collettori di 25÷45 °C

• Le perdite di carico dipendono anche dalla configurazione del circuito idraulico del campo collettori: il collegamento in serie implica una maggiore perdita di carico. Il parallelo, tuttavia, richiede altri tubi di distribuzione, che aumentano perdite e costi diinvestimento

Impianti SDHAltri componenti

-3050

-2440

-1735

-1330

T fino alla quale èèassicuata la resistenza al congelamento (°C)

% di fluido antigelo*

* Glicole propilenico

Impianti SDHAltri componenti

(per impianti a terra):• Terreno• Collettori• Installazione (tubazioni incluse)• Scambiatori di calore (comprese pompe, vasi di espansione,

controllo, ecc.)• Tubazioni di trasmissione tra campo collettori, accumulo e rete• Fluido antigelo: 1000 €/m3 (3 €/m2 di collettore)• Accumulo• Dimensionamento, progettazione e ottimizzazione: 2÷5 %

dell’investimento complessivo• Varie (p.es. livellamento del terreno)

Impianti SDHAnalisi economica

(per impianti a terra)

Costo di investimento [€]:pland,location = Aland* pland

dove Aland: Area del terreno [m²] – circa 3 volte l’area dei collettoripland: Costo del terreno [€/m²]


ESEMPIO

10.000 m2 di collettori solari in DanimarcaCosto del terreno (30.000 m2): 80.000 €Collettori (10.000 m2), tubazioni, pompe, liiquido antigelo e scambiatori di calore: 2.000.000 €Recinto, livellamento terreno, ecc.: 80.000 €Tubazioni di trasmissione (1.000 m): 300.000 €Regolazione e controllo: 80.000 €Consulenza: 40.000 €COSTO DI INVESTIMENTO TOTALE: 2.580.000 €

Resa attesa: 4,500 MWh/annoCosto medio per ammortamento in 20 anni (tasso di interesse 5%, inflazione 2%): 6,7%/annoCapitale annuale: 2.580.000 € x 6,7%/anno = 173.000 €/annoCosto di manutenzione: 1 €/MWh = 4.500 €/annoCOSTO ANNUALE TOTALE: 177.500 €/anno

COSTO DEL CALORE SOLARE (senza incentivi): ~ 40 € /MWh



Costo per m2 di impianti a terra

Costo dell’accumulo

Se disponibili, considerare:• IVA agevolata per le rinnovabili• incentivi sul costo di investimento o sul calore prodotto


Strumento online:www.solarkey.dk (menu “Software”)


Funzionamento e manutenzione

Aspetti fondamentali:• condizioni di stop/start e sensori

• sistemi di rilevazioni dei guasti e relativi allarmi al di sopra di determinati valori (pressione, temperatura, umiditià, ecc.)

• piccoli impianti con sistemi di telecontrollo; grandi impianti con allarmi e monitoraggio costante sul sito stesso

• l’esperienza dell’operatore è cruciale

• verifica dell’efficienza reale rispetto a quella attesa

• temperatura sui due lati dello scambiatore di calore

• funzionamento delle pompe

• capacità dell’accumulo in confronto alla produzione il giorno seguente

Aspetti fondamentali per la manutenzione (su base regolare, almeno annuale):• perdite di fluido termovettore e aria

• qualità del fluido termovettore (anche dopo svuotamenti): PH, inibitori di corrosione, contenuto di glicole

• componenti: valvole di sicurezza, vasi di espansione, sensori, ecc.

• tagliare l’erba o…farlo fare alle pecore


Costi di O&M (“Operation & Maintenance”):

• funnzionamento: 0,50 Euro/MWh (5 kWh di elettricità / MWh di calore)

• manutenzione annuale: 1÷2% dell’investimento (0,25÷0,5 Euro/MWh)

• costi per la sicurezza non inclusi


• investitore: utility oppure investitore esterno• se la proprietà del tetto non è dell’investitore, la situazione è più complessa• possibile il coinvolgimento economico degli utilizzatori finali• leggi sulla pianificazione e sull’uso del territorio• leggi sulla protezione del paesaggio• permessi speciali necessari in caso di accumulo stagionale

Regolamenti e iteramministrativi

Regolamenti e iteramministrativi

DATI PRINCIPALI

• combinazione con cogeneratore• inizio funzionamento: 2007• superficie di apertura: 8.012 m2

• potenza installata: 5.608 kWth• collettori solari: piani vetrati• posizionamento collettori: terra• accumulo: serbatoio (volume: 2.000 m3)• carico: 42 GWh/anno• output solare: 3.4 GWh/anno• frazione solare: 8%

Esempi e casi studioBraedstrup (Danimarca)

DETTAGLI OPERATIVI

• in periodi ventosi, non conviene far funzionare l’unità cogenerativa; megilo utilizzare caldaie con accumuli di breve periodo per adattare ilfunzionamento al prezzo dell’elettricità• costi di teleriscaldamento relativamente alti e forte industria solarelocale: impianti solari connessi agli accumuli di rete


DATI ECONOMICI

• costo di investimento totale: 1.640.000 €• costo di investimento specifico: 205 €/m2 di collettori• finanziamento: 320.000 €• costo di funzionamento: 0,66 €/MWh di calore solare• costo del calore solare: 25 €/MWh (31 €/MWh senza sussidi)


Esempi e casi studioBerlinerring (Austria)

DATI PRINCIPALI

• finanziato con modello ESCO• inizio funzionamento: 2004• superficie di apertura: 2.480 m2

• potenza installata: 1.736 kWth• collettori solari: piani vetrati• posizionamento collettori: tetto• accumulo: serbatoio (volume: 60 m3)• carico: 7,84 GWh/anno• output solare: 1 GWh/anno• frazione solare: 13% (100% in estate)

DETTAGLI OPERATIVI

• impianto su tetto per acqua calda sanitaria e riscaldamento ambienti dicondomini (350÷500 m² di collettori su ogni condominio)• in concomitanza con i lavori di ristrutturazione del tetto e dell’isolamento• l’impianto alimenta la rete degli edifici e il surplus di calore va nella rete locale e all’accumulo di “buffer”; la rete locale a bassa pressione èconnessa alla rete cittadina tramite scambiatore di calore• modello ESCO: il calore viene venduto ai residenti allo stesso prezzo del calore da teleriscaldamento della utility



DATI ECONOMICI

• costo di investimento totale: 1.250.000 €• costo di investimento specifico: 521 €/m2 dicollettori• finanziamento: 500.000 €• costo del calore solare: 48 €/MWh (80 €/MWhsenza sussidi)

Esempi e casi studioCrailsheim (Germania)

Source: www.stw-crailsheim.de

DATI PRINCIPALI

• elevata frazione solare• inizio funzionamento: 2003• superficie di apertura: 7.300 m2

• potenza installata: 5.110 kWth• collettori solari: piani vetrati• posizionamento collettori: terra e tetto• accumulo: sonde - BTES (volume: 73.500 m3)• carico: 4,1 GWh/anno• output solare: 2,05 GWh/anno• frazione solare: 50%

DETTAGLI OPERATIVI

• impianto solare con accumulo stagionale, con integrazione di unapompa di calore• collettori installati su barriere anti-rumore e tetti degli edifici• 260 unità abitative, scuola e palestra• riconversione di un’area militare


Source: www.stw-crailsheim.de


DATI ECONOMICI

• costo di investimento totale: 7.000.000 €• costo di investimento specifico: 959 €/m2 di collettori• finanziamento: 3.400.000 €• costo del calore solare: 112 €/MWh (219 €/MWh senza sussidi)

Esempi e casi studioVislanda (Svezia)

DATI PRINCIPALI

• “net-metering del calore solare”• inizio funzionamento: 2009• superficie di apertura: 345 m2

• potenza installata: 241,5 kWth• collettori solari: piani vetrati• posizionamento collettori: tetto• output solare: 0,138 GWh/anno

DETTAGLI OPERATIVI

• collettori integrati nel tetto su un condominio con 1.069 m2

di area da riscaldare• fabbisogno termico annuale: 150 MWh• utilizzo di acqua annuale: 1.500 m3

• impianto connesso alla rete di teleriscaldamento con stazione pre-assemblata (scambiatore di calore, vaso diespansione, pompe, controlli, ecc.)• l’associazione dei proprietari degli appartamenti ha siglatoun contratto di “net-metering” con la utility



DATI ECONOMICI

• costo di investimento totale: 178.000 €• costo di investimento specifico: 516 €/m2 di collettori• finanziamento: 43.000 €• costo del calore solare: 63 €/MWh (83 €/MWh senza sussidi)

Casi studioHotel Duo (Repubblica Ceca)

DATI PRINCIPALI

• riscaldamento e raffrescamento• inizio funzionamento: 2007• superficie di apertura: 536 m2

• potenza installata: 375,2 kWth• collettori solari: tubi sottovuoto• posizionamento collettori: tetto• accumulo: serbatoio (volume: 16 m3)• output solare: 0,27 GWh/anno• frazione solare: 66% (per raffrescamento)

DETTAGLI OPERATIVI

• impianto di “solar cooling” con unità ad assorbimento di 560 kW e per acqua calda sanitaria • accumulo di acqua refrigerata(4 m3)• fonte integrativa: teleriscaldamento (4 scambiatori di calore per un totaledi 1.250 kW)• fonte di back-up: 6 caldaie a gas naturale per un totale di 480 kW



DATI ECONOMICI

• costo di investimento totale: 320.000 €• costo di investimento specifico: 597 €/m2 di collettori• finanziamento: 0 €• costo del calore solare: 76 €/MWh

Strumenti

• Diapositive: in italiano e in inglese• Questionario per la fattibilità di un impianto SDH• Condizioni di mercato in Italia• Database degli impianti• Schede tecniche degli impianti• Schede (tecniche e non) di approfondimento• “Trova i professionisti”• Help desk

• Questionario di valutazione

Strumenti

Grazie mille per l‘attenzione e......non dimenticate di riempire il questionario!

www.solar-district-heating.eu(in inglese e in italiano)

Corso di formazione sul teleriscaldamento da solare termico

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