Iniziativa Finale

GLI IMPIANTI A POMPA DI CALORE: PROBLEMI E SOLUZIONI 21 Giugno 2018

Prof. ssa BIANCA RIMINI Ing. Simona MarinelliANALISI LCA DI POMPE DI CALORE

La politica ambientale orientata al prodotto

ll Libro verde (2001) pubblicato dalla CE propone una strategia intesa

ad orientare le politiche ambientali verso lo sviluppo di un mercato di

prodotti ecologici, che utilizzino meno risorse,

presentino un minore impatto e producano meno rifiuti.

Per produrre, progettare e costruire secondo criteri di sostenibilità

sono necessari strumenti in grado di valutare e comunicare le

caratteristiche ambientali di un prodotto in modo:

chiaro, preciso, verificabile, ripetibile, confrontabile.

Le Politiche Integrate di Prodotto (IPP) indicano la metodologia LCAcome lo strumento tecnico principale di valutazione di sostenibilità al

fine di arrivare a Dichiarazioni Ambientali di Prodotto (EPD).

La metodologia LCA (Life Cycle Assessment)

Procedimento di valutazione degli impatti ambientali

associati al ciclo di vita di un prodotto o servizio,

mediante la quantificazione

degli input (energia, risorse) e degli output (emissioni, rifiuti).

La metodologia LCA (Life Cycle Assessment)

La valutazione include l’intero ciclo di vita del prodotto,

dalla culla alla tomba (from cradle to grave)

comprendendo l’estrazione e la lavorazione delle materie prime,

la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l’uso e il fine vita.

La procedura LCA

Secondo la serie di normative ISO 14040-44

uno studio LCA si deve articolare in 4 fasi:

1

2

3

4

LCA frameworkFonte immagine: ISO 14040, 2006

Valutazione degli impattiCATEGORIA U.M.

CAMBIAMENTI CLIMATICI (GWP 100) Kg CO2 eq.

RIDUZIONE DELLO STRATO DI OZONO (ozone depletion) Kg CFC 11 eq.

ACIDIFICAZIONE (acidification) Kg SO2 eq.

EUTROFIZZAZIONE (eutrophication) Kg PO23- eq.

SMOG FOTOCHIMICO (photochemical ozone creation) Kg C2H4 eq.

CONSUMO DI RISORSE (resources) Kg Sb eq. (elements) / MJ (fossil)

Ecopunti Pt

Scala di azioneFonte immagine: Rizzi, 2018

Analisi LCA di una pompa di calore dual-sourceFlow chart del processo

Uso

Gestione dei rifiuti e

del sito

Smantellamento

Produzione e assemblaggio

pompa di calore

InstallazioneProduzione

sonde geotermicheManutenzione

15 ANNI

Life phases (according to EN 15804:2012+A1:2013)

Product

Stage

Construction

StageUse Stage End-of-Life Stage

Resource

recovery

stage

A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C1 C2 C3 C4 D

Ra

wm

ate

ria

ls

Tra

nsp

rt

Ma

nu

fac

turin

g

Tra

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ort

Inst

alla

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Use

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Op

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De

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Dis

po

sal

Re

cyc

ling

Cre

dit

X X X X X X X - X - X X X X X X X

Confini del sistemaFonte immagine: Abbenante et al., 2016

FASE 1: definizione scopi e obiettivi

Obiettivi:valutazione delle prestazioni ambientali di una pompa di calore dual-source

Campo di applicazione e funzione del sistema: Sistema composto da una pompa di calore dual-source da 10 kW e da due sonde geotermiche, con istallazione a Bologna e durata di vita di 15 anni

Unità funzionale: 1 MJ termico per climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento)

Confini del sistema: dalla produzione dei componenti alla dismissione finale (esclusi dai confini del sistema i terminali in ambiente)

FASE 2: analisi di inventario - pompa di calore

Unità funzionale: 1 unitàDurata di vita: 12 anni

Galvanized

steel

48%Aluminium

21%

Copper

17%

Stainless

steel

9%

Refrigerant

3%Others

(rubber, tin,

etc.)

2%

Uso di materie prime

INPUT Q.ty Unit

Basic materials:

Steel 128,85 kg

Aluminium 47,16 kg

Copper 39,17 kg

Refrigerant 6,40 kg

Others (rubber, tin, etc.) 4,20 kg

Resources:

Water 0,70 m³

Energy:

Heat, natural gas,

industrial 1400 MJ

Electricity, medium

voltage 140 kWh

OUTPUT*

Waste:

Plastic in incineration

plant 2,61 kg

Regeneration R410a 4,92 kg

Emissions to air:

Ethane, 1, 1, 1, 2-

tetrafluoro-, HFC-134a 1,472 kg

Emissions to water:

Water 0,60 m³

Pompa di calore dual-sourceFonte immagine: Grossi, 2017

FASE 2: analisi di inventario – campo sonde

Unità funzionale: 1 unitàDurata di vita: 100 anni

• dext = 152 mm

• H = 83 mm, L = 90 m

Unalloyed

steel

12%

Polyethylene

68%

Bentonite

3%

Cement

12%

Ethylenegly

cole

5%

Uso di materie prime

INPUT Q.ty Unit

Basic materials:

Reinforcing steel 27,87 kg

Polyethylene 152,00 kg

Bentonite 6,76 kg

Cement 27,86 kg

Ethylene glycol 86,13 kg

Resources:

Water 8,61 m³

Energy:

Diesel in building machine 14947 MJ

OUTPUT*

Emissions to water:

Water 7,32 m³

Waste:

Waste in inert materials

landfill

2111,1

0 kg

Treatment, heat carrier

liquid, 40% C3H8O2, in

wastewater treatment 0,25 m³

Sonde geotermicheFonte immagine: Grossi, 2017

FASE 2: analisi di inventario - fase d’uso

Modellazione e simulazione in regime dinamico di un edificio di civile abitazione

Carichi

termico = 8.6 kW, frigorifero = 2.8 kW

Impianto a ventilconvettori:

DSHP: 10 kw

Campo sonde: 2 x 90m

Coefficienti di prestazione stagionali (15° anno):

SCOP = 3.35, SEER = 2.92, APF = 3.41

% calore prodotto:

- 19.3% da sorgente aria

- 80.3% da sorgente terreno

Pianta edificio di riferimentoFonte immagine: Grossi, 2017

FASE 2: analisi di inventario - principali assunzioni

Qualità dei dati:

dati primari:

forniti dai partner del progetto

- Galletti S.p.A.

(materiali, caratteristiche tecniche, trasporti, manutenzione, ciclo di vita)

- CIRI EC

(potenze, rendimenti, consumi)

dati secondari:

database Ecoinvent 2.0 e 3.0, dati di letteratura e schede tecniche

Trasporti su strada:

- Principali noti: distanze Bentivoglio (Bo) da fornitori principali- Non noti: 100 km

FASE 2: analisi di inventario – principali assunzioni

Emissioni di refrigerante:

- 3% durante la produzione e l’installazione,

- 6% annuo durante l’uso

- 20% durante le operazioni di smantellamento e recupero

(Saner e al., 2010; Ecoinvent)

Manutenzione:

- manutenzione ordinaria non considerata

(es: pulizia periodica evaporatore, condensatore e tubo di scarico condensa)

- operazioni di controllo obbligatorie: un controllo ogni 12 mesi

Normativa di riferimento:

- Regolamento europeo sui gas fluorurati ad effetto serra (F-gas) n. 517/2014

FASE 2: analisi di inventario – principali assunzioni

Gestione dei rifiuti

Normativa di riferimento:

- D. Lgs. 152/2006 e ss.mm.ii Norme in materia ambientale

Parte 4 «Norme in materia di gestione dei rifiuti e di bonifica dei siti inquinati»

- UNI 11468:2012 «Sistemi geotermici a pompa di calore - Requisiti ambientali»

FASE Rifiuto (principale) Assunzioni

Installazione: • Fanghi di perforazione• Imballaggi• Materiali in gomma• Legname• Olii esausti• Filtri e materiali contaminati

• Trattamento e smaltimento

Uso e manutenzione: • Refrigerante • Trattamento e rigenerazione

Fine vita: • Materiali • Campo sonde

• Riciclo (59% plastiche, 74% alluminio, 73% acciaio, 45% rame)• Lavaggio tubazioni e riempimento

con idonea malta cementizia

FASE 3: analisi dei risultati

- processo completo –

Produzione e

Installazione

Uso e

Manutenzione

Fine Vita

CATEGORIA [µPt] Produzione e installazione Uso e Manutenzione Fine vita

CAMBIAMENTI CLIMATICI0,511 4,109 -0,116

RIDUZIONE DELLO STRATO DI OZONO 0,009 0,004 -0,003

ACIDIFICAZIONE 0,016 0,039 -0,001

EUTROFIZZAZIONE 0,004 0,046 -0,001

SMOG FOTOCHIMICO 0,001 0,020 0,001

CONSUMO DI RISORSE 0,561 4,438 -0,108

Impatto totale 3,442 13,178 -3,362

FASE 3: analisi dei risultati

- fase d’uso –ENERGIA ELETTRICA

Processo Impatto [µPt]

Refrigerant 0,351

Electricity 12,918

Others (maintenance) 0,014

FASE 3: analisi dei risultati

- fase di produzione e installazione –

IMPIANTO

GEOTERMICO

DSHP

33%

67%

Impatto totale fase di

Produzione e Installazione: 2,597 µPt

Pompa di calore dual-source (DSHP)

Impianto geotermico

FASE 3: analisi dei risultati

- Confronto con pompe di calore tradizionali –(processo completo)

DSHP GSHPASHP

Tipo di impianto Pompa di calore aria-acqua

(ASHP)

Pompa di calore dual-source

(DSHP)

Pompa di calore geotermica

(GSHP)

IMPATTO GLOBALE [µPt] 15,015 14,649 14,869

FASE 3: analisi dei risultati

- Confronto con pompe di calore tradizionali -(produzione e installazione)

DSHP GSHPASHP

Tipo di impianto Pompa di calore aria-acqua

(ASHP)

Pompa di calore dual-source

(GSHP)

Pompa di calore geotermica

(GSHP)

Fase di produzione e installazione [µPt] 0,469 2,599 2,901

FASE 4: interpretazione dei risultati e conclusioni

Gli impatti ambientali relativi al mix di energia elettrica utilizzata

per alimentare le pompe di calore durante la fase di

funzionamento sono i più alti dell’intero ciclo di vita.

Il coefficienti di prestazione (SCOP, SEER, APF)

giocano un ruolo cruciale nell’impatto ambientale in fase d’uso.

La fase di installazione delle sonde geotermiche è la seconda

causa di impatto ambientale più gravosa.

Seguita dalle emissioni di gas serra del refrigerante durante la

fase di esercizio, ma anche a causa dell'inquinamento derivante

da (potenziali) perdite durante tutte le fasi del ciclo di vita.