Abbiamo già avuto modo di parlare della Direttiva 28/2009/CE ("RES") e del relativo decreto di recepimento da parte dell'Italia (DL 28/2011). Essi definiscono come rinnovabile, tra le altre, l'energia aerotermica, geotermica ed idrotermica.
Ovviamente perché lo sfruttamento di queste fonti energetiche sia conveniente è necessario che il bilancio energetico tra il consumo di energia primaria e l'energia effettivamente resa disponibile all'impianto sia superiore a un valore minimo.
Tale valore è stato individuato con chiarezza nella normativa, secondo la formula seguente:
Il termine SPF nella presente formula, come anche nelle successive, identifica il coefficiente di prestazione medio stagionale della pompa di calore, di fatto un GUE o un COP medio stagionale. Il termine η identifica invece il rendimento di trasformazione da energia primaria a energia elettrica. Ne risulta un valore minimo dell'SPF che, con gli attuali valori di η risulta:
per pompe di calore a gas
per pompe di calore elettriche
Da notare che il valore di SPF pari a 2,875 può essere agevole da raggiungere per unità geotermiche o idrotermiche, ma risulta molto più arduo da ottenere per unità aerotermiche, specie se applicate in regimi rigidi o con richiesta di alte temperature.
Per il calcolo dell'SPF la normativa citata propone la seguente relazione:
dove SPFPdC è il coefficiente di prestazione medio stagionale della pompa di calore; EPdC è l'energia termica resa disponibile dalla pompa di calore durante una stagione; Eass è in generale l'energia spesa per consentire il funzionamento della pompa di calore durante una stagione.
In generale per il calcolo di Eass vale la seguente relazione:
dove Egas è l'energia dovuta al consumo di gas combustibile mentre Eelet è l'energia elettrica consumata dall'unità e dai suoi ausiliari.
Si può ulteriormente definire il rapporto di energia primaria stagionale REPS definito come il rapporto tra l'energia termica resa dalla pompa di calore e l'energia primaria complessivamente spesa dalla stessa per il suo funzionamento. In generale per il calcolo del REPS vale la seguente relazione:
Per il calcolo effettivo dell'energia rinnovabile utilizzata dalle pompe di calore si presentano ora due scenari, uno più convenzionale, legato a un'interpretazione strettamente legale delle normative, e un secondo più reale, legato ad un'interpretazione più legata all'approccio energetico.
Calcolo dell'energia rinnovabile (convenzionale) a fini legislativi
Come abbiamo già visto in questo articolo sul blog è fuorviante considerare solo l'energia finale (come fa la Direttiva 28/2009) prescindendo dalla fonte energetica utilizzata (che invece è correttamente valutata nella legislazione italiana). Per evitare tali errori l'associazione AICARR ha pubblicato un documento ("Position Paper") in cui evidenzia quelle che sono, a suo avviso, le corrette procedure di calcolo per determinare la quota di energia rinnovabile.
In particolare viene definita energia rinnovabile convenzionale ERES:
che, per gli scopi governativi legati al rispetto della Direttiva 28/2009/CE ("RES"), si dichiara essere prelevata dalla sorgente fredda da parte della pompa di calore. ETot è l'energia totale trasferita dall'intero sistema di generazione. SPFC,Sist è il SPF convenzionale dell'intero sistema di generazione dell'energia, mentre REPS,Sist è il rapporto di energia primaria calcolato a livello stagionale per l'intero sistema di generazione dell'energia.
Nella fattispecie per le pompe di calore elettriche si applicherà la prima, mentre per le pompe di calore a gas verrà utilizzata la seconda.
Interessante valutare un esempio.
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Esempio 1 Poniamo che l'energia trasferita da un sistema di generazione in una stagione sia pari a 100.000 kWh e si consideri una pompa di calore ad assorbimento aerotermica GAHP-A avente GUE medio stagionale pari a 1,52 (condizioni A7W50). Una pompa di calore elettrica per avere le medesime prestazioni stagionali deve garantire un COP medio stagionale (compresi gli assorbimenti elettrici di eventuali ausiliari) pari a 3,50, valore piuttosto elevato per questo tipo di tecnologia (specialmente perché riferito alla media stagionale). Ponendo che il rendimento di trasformazione dell'energia primaria in energia elettrica sia pari a 0,40, il REP per la pompa di calore a gas risulta 1,40 così come per la pompa di calore elettrica. Inserendo i dati corretti nell'equazione per il calcolo dell'energia rinnovabile secondo la formula utilizzata per le pompe di calore a gas si ottengono i seguenti risultati:
Si evidenzia quindi che la pompa di calore ad assorbimento GAHP-A è in grado di offrire all’impianto 71.429 kWh di energia rinnovabile convenzionale prelevata dall’aria a fronte dei 100.000 kWh richiesti e forniti all’impianto. Ciò equivale a dire che l’energia rinnovabile convenzionale dichiarabile a fini legislativi è pari al 71,4 % sulla copertura degli usi finali di energia. Inserendo i dati corretti nell’equazione per il calcolo dell’energia rinnovabile secondo la formula utilizzata per le pompe di calore elettriche si ottengono i seguenti risultati:
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Si evidenzia quindi come anche la pompa di calore elettrica di identiche prestazioni alla GAHP-A è in grado di offrire all'impianto 71.429 kWh di energia rinnovabile convenzionale prelevata dall'aria, offrendo la medesima percentuale di energia rinnovabile Calcolo dell'energia rinnovabile (reale) a fini di valutazione energetica
Lo scopo finale dell'utilizzo delle energie rinnovabili è la riduzione del consumo globale di combustibili fossili, pertanto è necessaria una relazione univoca che, indipendentemente dalla tecnologia usata, permetta di valutare correttamente la quota di energia rinnovabile utilizzata. In luogo del coefficiente di prestazione stagionale SPF è quindi opportuno utilizzare in tutte le situazioni il rapporto di energia primaria REP.
L'energia rinnovabile realmente prelevata dall'ambiente dovrebbe essere quindi calcolata con questa relazione:
Tale relazione è applicabile a qualunque tecnologia in pompa di calore, ed offre risultati che tengono conto dei consumi di energia primaria reali dei sistemi, sia che questi siano alimentati con fonti di energie primarie che secondarie.
Anche per questo caso è interessante valutare un esempio.
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Esempio 2 Poniamo che l'energia trasferita da un sistema di generazione in una stagione sia pari a 100.000 kWh e si consideri una pompa di calore ad assorbimento aerotermica GAHP-A avente GUE medio stagionale pari a 1,52 (condizioni A7W50). Una pompa di calore elettrica per avere le medesime prestazioni stagionali deve garantire un COP medio stagionale (compresi gli assorbimenti elettrici di eventuali ausiliari) pari a 3,50, valore piuttosto elevato per questo tipo di tecnologia (specialmente perché riferito alla media stagionale). Ponendo che il rendimento di trasformazione dell'energia primaria in energia elettrica sia pari a 0,40, il REP per la pompa di calore a gas risulta 1,40 così come per la pompa di calore elettrica. Inserendo i dati corretti nell'equazione per il calcolo di E*RES si ottengono i seguenti risultati:
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Si evidenzia quindi che la pompa di calore ad assorbimento GAHP-A è in grado di offrire all'impianto 28.571 kWh di energia rinnovabile reale prelevata dall'aria a fronte dei 100.000 kWh richiesti e forniti all'impianto. Ciò equivale a dire che l'energia rinnovabile Per ulteriori approfondimenti:
https://blog.robur.it/energia-rinnovabile-aerotermica-aria-calda-o-aria-fritta
https://blog.robur.it/energia-rinnovabile-meglio-elettricita-o-gas
https://blog.robur.it/edifici-ad-alta-efficienza-come-adempiere-il-dl-28
NOTE:
- Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.
- Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.
- Tutte le parole che figurano sottolineate sono collegamenti ad altri contenuti, che non saranno quindi disponibili qualora il documento venga stampato.
- I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.
APPROFONDIMENTI
Energia primaria
Una fonte di energia è definita primaria quando è presente in natura e non deriva quindi dalla trasformazione di nessuna altra fonte di energia. Quindi secondo questa definizione il gas è fonte di energia primaria, mentre l'energia elettrica non è considerata fonte di energia primaria (in quanto derivante da trasformazione di altre fonti di energia).
Per confrontare quindi tra loro macchine che utilizzano fonti di energia diverse è quindi necessario fare riferimento all'efficienza all'energia primaria, ovvero al consumo energetico originale che è stato necessario per produrre l'energia utilizzata direttamente dalla macchina.
Per le unità a gas ovviamente questa conversione non si applica, in quanto usano direttamente energia primaria, mentre per le unità elettriche bisogna applicare un fattore di conversione.
Tale fattore (indicato con la lettera η nelle formule) è stato recentemente normato dalla Comunità Europea (attraverso il lavoro della Commissione) attraverso la Direttiva 2009/28/CE "RES - Renewable Energy Sorces", recepita dallo Stato Italiano con la legge 96/10 del 4 giugno 2010 e con il DL 28 del 03/03/2011.
Il valore da utilizzare per il coefficiente η secondo la Direttiva è definito da Eurostat e attualmente è pari a 0,4 per la conversione da energia elettrica a energia primaria, e 2,5 per la conversione opposta.
Per le unità a gas (metano o GPL) il valore del coefficiente η è posto per convenzione pari a 1.
Quindi per passare da COP a GUE o viceversa queste sono le formule da applicare:
COPGAHP = GUEGAHP x 2,5 conversione da energia primaria (gas) a energia elettrica
GUEelettrico = COPelettrico x 0,4 conversione all'energia primaria da energia elettrica
La seconda formula è quella usualmente impiegata per confrontare le caratteristiche delle unità elettriche con quelle delle unità equivalenti a gas.
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