Solar cooling: tecnologia, applicazioni e prospettive per ... · Sistema solare semplificato e semplice integrazione con l’impianto di condizionamento no back-up, no serbatoio Schema

Solar cooling: tecnologia, applicazioni e prospettive per il futuro

Mario MottaDipartimento di Energetica, Politecnico di Milano

Raffrescare con il sole - Tecnologie e prospettive per il solar cooling

Milano, 07/06/2007

Mario Motta – [email protected]

Mercato mondiale condizionamento dell’aria

Fonte: F. Butera: The use of environmental energies for sustainable building in Mediterranean climates; Intelligent Building Middle East, Bahrain, December 2005

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Middle East

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North America

Central & SouthAmerica

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Oceania


Mercato mondiale del condizionamento dell’aria

� Ultimo decennio

fortissima crescita del

mercato mondiale del

condizionamento dell’aria

in settori residenziale e

commerciale.

� “Split-izzazione” del

mercato in particolare

settore residenziale.

� Due regioni dominano in

termini assoluti e di

crescita:Asia (escluso

Giappone), e Africa.

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Mercato mondiale Capacità installata annualmente per RAC.

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Fonte: F. Butera: The use of environmental energies for sustainable building in Mediterranean climates; Intelligent Building Middle East, Bahrain, December 2005


� tasso di crescita +26% nel

2006, atteso incremento

pari per il 2007,

� La potenza termica

installata a fine 2005, circa

11.000 MWth

� obiettivo comunitario al

2010, 70.000 MWth (circa

100 milioni di m2).

Il mercato solare termico europeo


Il mercato solare termico europeo


Mercato solare termico Italiafonte: Statistiche ESTIF fino 2005 e Market study centro studi Solarexpo 2006, stima 2007.

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Mercato Italiano...

2004:

installazioni: 38,4 MW/a (55 000 m2/a)

total installat: 385 MW (550 000 m2)

installed p.c.: 6,6 kW/1000 ab (9,5 m2/1000 ab)


Perchè calore solare per la climatizzazione estiva?

Esempio:

Edificio ufficiNapoli

Esempio:

Edificio ufficiNapoli

� Riduzione dei picchi di

richiesta in potenza

elettrica durante

l’estate

� Coincidenza tra carichi

di climatizzazione e

disponibilità di

radiazione

� Uso maggiore

dell’energia prodotta

da ST su base annuale

� Riduzione di energia in

eccesso per sistemi

combi


Solar Cooling: schema generale

Processo

alimentato

termicamentecalore

Acquarefrigerata

Climatizzazioneestiva

Serbatoio calore?

Torre evaporat.?

Serbatoio freddo?

Utenza?

� Produzione di freddo a partire da una sorgente di calore

� Possibilità di produzione di acqua e/o aria condizionata per sistemi di climatizzazione invernale/estiva centralizzati


Condizioni al contorno allo sviluppo dei SAC in Europa…

� Il mercato Europeo ST cresce e crescerà intensamente anche in virtù dei vincoli

legislativi imposti: “codigo” in spagna, 311/06 in Italia etc.

� 9 Marzo 2007 Consiglio d’Europa decisione storica:

� Obiettivo vincolante sulla copertura da RES del consumo in termini di

energia primaria di EU25: 20% al 2020

� Richiesta alla commissione di proporre entro fine 2008 una nuova direttiva

che copra la produzione di energia termica e “cooling” da rinnovabili RES-H

� Oggi: quasi la metà del consumo finale europeo è energia termica (48%). Per

raggiungere il target entro il 2020 significa praticamente triplicare l’uso di RES

� Il solare termico può avere un ruolo importante nel raggiungimento degli obiettivi

al 2020!!

� Applicazione su larga scala di ST implica uso del SOLAR COOLING!!


� Sistemi a ciclo chiuso (macchine di refrigerazione alimentate adenergia termica)

� Macchine ad assorbimento (oltre 90% mercato) e ad adsorbimento

� Usati nella maggior parte dei casi per la produzione di acqua fredda

� Qualsiasi tecnologia di distribuzione del freddo (e.g. Sistemi di ventilazione, fan-coils, superfici radianti,...)

� Sistemi a ciclo aperto basati su combinazione raffreddamento evaporativo e deumidificazione (sistemi DEC)

� trattamento diretto dell‘aria

� Sempre necessario rete distribuzione del freddo basato su sistema di ventilazione

� Sistemi sul mercato usano scambiatori rotativi o materiale adsorbente in forma liquida

Tecnologie per sistemi “solar cooling“


Cicli chiusiProduzione acqua refrigerata

Cicli apertiCondizionamento aria diretto

Tipo di sorbente solido liquido solido liquido

Acqua - Silicagel,Ammoniaca – Sali A.

1)Acqua - LiBrAmmoniaca - acqua Acqua – Cl di Litio

Tecnologie disponi-bili sul mercato

Macchine adAdsorbimento

Macchine adAssorbimento

Raff. Evaporativo aAd-assorbimento

-

Potenza frigorifera[kW]

7 - 430 kW 4.5 kW fino >5 MW 20 kW - 350 kW (proModul)

-

Produttori 2 produttorigiapponesi

USA, Asia; solo pochepiccola capacità

ca. 5 produttori dirotori;molti UTA

Tipici materiali inuso

Efficienza(COP)

0.3-0.7 0.6-0.75 (1-effetto)< 1.2 (2-effetto)

0.5 fino >1 fino >1

Tipiche temperatu-re di alimentazione

60-95°C 80-110°C (1-effetto)130-160°C (2-effetto)

45-95°C 45-70°C

Tecnologie solari CTE, CP CTE, coll. a concent. CP, CA CP, CA

Acqua - Silicagel,

Acqua – Cloruro di Li

Acqua –Clorurodi Calcio

Tecnologie disponibili sul mercato


Collettori Solari e refrigerazionealimentata ad energia termica

desiccant

adsorption

1-effect absorption

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∆∆∆∆T/G [Km2/W]

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SYC

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CPCSAC = collettori aria

CPC = stationary CPC

FPC = collettori pianisup. selettiva

EHP = Tubi evacuatiheat-pipe

EDF = Tubi evacuatiflusso diretto

SYC = Concentratoristazionari, Sydney-type

SAC = collettori aria

CPC = stationary CPC

FPC = collettori pianisup. selettiva

EHP = Tubi evacuatiheat-pipe

EDF = Tubi evacuatiflusso diretto

SYC = Concentratoristazionari, Sydney-type


� Circa 70 impianti in

Europa, 100-120 al

mondo, Potenza frigorifera

installata circa 6.3 MWfr,

collettori circa 17500 m2

(12.3 MWth)

� Potenza frigorifera installata

circa 6.3 MWfr

� Area collettori totale installata

circa 17.500 m2 (12.3 MWth)

� 60% assorbimento e 11%

adsorbimento (circa 3

m2/kWfr),

23% „desiccant cooling“ -

solido (circa 10 m2 per

1000m3/h)

Sistemi realizzatiFonte: Task 25 IEA SHCP Final report

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Germany

Greece

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Netherlands

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Sarantis - Condizionamento dell‘aria industria cosmetici

� Campo collettori piani: 2700 m2 , 1890 kWth

� 2 macchine ad adsorbimento 350 kW potenza frigorifera ognuna

� 3 macchine a compressione 350 kW ognuna

� Condizionamento dell‘edificio di produzionedi un‘ industria di cosmetici

� sito: Inofita Viotias (appr. 50 km nord-estdi Atene)

� TH (Temp. di alimentazione) =60-90°C, SF=66%, producibilità specifica = 637 kWh/m2

� Attualmente il più grande impianto al mondo

� Peculiarità : strategia di controllo orientataal risparmio di energia elettrica attraverso il „solar cooling“


� Collettori tubi evacuati: 130 m2

� Macchina ad assorbimento da 52 kW

� no sistema back-up

� Raffrescamento cantina d’invecchiamento (circa 3 million bottles) con 3 Unitàtrattamento aria da (25.000 m3/h air flow)

� sito: Banyuls (sud Francia)

� Uno dei sistemi piu’ vecchi; in funzione da piu’ di 13 anni senza problemi

� “solar autonomous” e no serbatoio solare

==> “volano termico” sul carico

Raffrescamento cantina vinicola


� Collettori solari ad ariacome unica fonte di calore: 100 m2

� Sistema DEC (10.200 m3/h) con rotore al gel silicato

� no sistema back-up

� Condizionamento sala seminari (piccola sala riunioni) presso l’edificio della camera di commercio di Friburgo/ Germania

� Sistema solare semplificato e semplice integrazione con l’impianto di condizionamento

� no back-up, no serbatoio

� Schema promettente per edifici con alta correlazione tra carichi di condizionamento e radiazione solare

Condizionamento sala seminari


� collettori PTC producono calore a 180°C (TH):180 m2 aperture area

� Macchine ad assorbimento a doppio effetto (potenza frigorifera 116 kW, 4 bar vapor saturo; COP > 1.2)

� Condizionamento hotel e fornitura vapore alla lavanderia dell’albergo

� back-up con boiler LPG a vapore

� sito: Dalaman (Turchia)

� Primo sistema con macchina a doppio effetto

� Alta efficienza di conversione

� Sistema interessante per siti con alta radiazione solare

Condizionamento dell‘aria in un Hotel


� Da precedenti attività di ricerca (IEA-SHC) : necessaria

ulteriore ricerca applicata e sperimentazione (solo un

centinaio di impianti). Obiettivo: sistemi e componenti.

� Forte crescita mercato ST in Europa: richiesta sistemi piccola

capacità per residenziale o piccolo commerciale e grande

capacità per commerciale/industriale.

� Soggetti industriali, maggior parte stranieri (Germania,

Spagna): impegno di ricerca e sviluppo medio periodo.

� Piani di Ricerca & sviluppo industriale del settore in Europa:

CIEMAT-Spagna (circa 40 mln€), Julich-Germania

SolarThermie2000+

Solar cooling: stato dell’arte e prospettive


Solar cooling: attività in ambitointernazionale

Nascita di un nuovo gruppo di lavoro internazionale

in ottobre 2006:

� Alto coinvolgimento dell’industria

� Non solo condizionamento ma anche

refrigerazione,

� Ridotto il carattere “Europeo”,

� Attività sviluppate per agevolare introduzione sul

mercato dei sistemi di solar cooling (bottom-up

approach)

TASK 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration


� Pre-ingegnerizzazione sistemi di piccola

capacità: applicazioni residenziale e

commerciale. Obiettivo kit Solarcombi+ dove

non sia richiesto ausilio progettista.

� Impianti di grandi dimesioni: esperienza di

gestione e creazione di strumenti per la

progettazione. Impianti dimostrativi.

� Sviluppo di nuovi componenti e sistemi

innovativi: macchine di piccola taglia, torri

evaporative, sistemi a “high T lift”.

TASK 38Solar Air-Conditioning

andRefrigeration

Attività IEA-SHC: Task 38


COLLETTORE a concetrazioneTOP>150°C

ROBUR chiller assorbimentoSingolo stadio13,3kW, COP=0,65 (TEXT 30°C)

Serbatoio freddo- ghiaccio, 0°C (TBD)

Utenzeindustriali

Solar cooling ad alto “T-lift”

� Sviluppo: PSE GmbH, Robur Spa, Fhg – ISE, Polimi

� Collettori a concetrazione, siti a radiazione diretta prevalente

� Chiller acqua-ammoniaca condensato ad aria. No uso acqua


� Refrigerazione Solare per il settore agro-industriale nei paesi della

sponda sud del Mediterraneo.

• Progettazione, Installazione e otimizzazione di due sistemi impianti

pilota in Nod Africa (Tunisia Cantina vinicola, Caseificio Marocco).

• Studio di potenziale per l’applicazione della refrigerazione solare nel

settore agro alimentare in Marocco, Egitto e Tunisia.

� Status: in fase di sviluppo; Durata: fino 09/2009

� Supporto Finaziario FP6: European Commission DG – Research

� Progetto sviluppato nell’ambito del Mediterranean Renewable Energy

Programme (MEDREP)

� Maggiori info: www.medisco.org

MEDISCO - MEDiterranean food and agro Industry applications of Solar COoling technologies


…e il Solar cooling in Italia??

� Forte crescita mercato ST: trascinamento per SC � ottime opportunità

di crescita nel prossimo decennio.

� Poche attività rivolte al condizionamento dell’aria attraverso energia

solare. Operatori ST riconoscono interesse ma posizione

attendista. Pochi investimenti medio termine.

� Mancanza di un piano organico di politiche di sviluppo

industriale e ricerca puntato sull’industria nazionale anche in questo

settore: es.Spagnoli e tedeschi.

� Esistono nicchie di sviluppo tecnologico che potrebbero essere

sfruttate: es. produzione macchine piccola capacità, sistemi di

refrigerazione, impianti HVAC

� Diversi filoni di ricerca sperimentale sui sistemi � piccola capacità

e grandi dimensioni per il terziario. Presentazioni prossima sessione.


…e il condizionamento dell’aria in Italia…

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Stima parco installato RAC

Proiezioni su dati di fatturato reali

*fonte: Energy Efficiency of Room Air-Conditioners (EERAC)Study for the Directorate-General for Energy (DGXVII) of the Commission of the European Communities - May 1999

**fonte: Indagne statistica sul mercato dei componenti del mercato di condizionamento dell'aria - CO.AER. - da May 2003 a February 2006 - w w w .coaer.it

Mercato Italiano dei RAC (dal 1990 a 1996 e stime del parco installato fino al 2020*)

e proiezioni su dati reali di fatturato **



� Forte crescita mercato ST: trascinamento per SC � ottime opportunità

di crescita nel prossimo decennio.

� Poche attività rivolte al condizionamento dell’aria attraverso energia

solare. Operatori ST riconoscono interesse ma posizione

attendista. Pochi investimenti medio termine.

� Mancanza di un piano organico di politiche di sviluppo

industriale e ricerca puntato sull’industria nazionale anche in questo

settore: es.Spagnoli e tedeschi.

� Esistono nicchie di sviluppo tecnologico che potrebbero essere

sfruttate: es. produzione macchine piccola capacità, sistemi di

refrigerazione, impianti HVAC

� Diversi filoni di ricerca sperimentale sui sistemi � piccola capacità

e grandi dimensioni per il terziario. Presentazioni prossima sessione.


� Rispetto a una tecnologia convenzionale che usa sistemi a compressione:

� 30 - 60 % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi che producono acqua refrigerata

� 20 - 40 % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi DEC

� Costi di investimento tra 1.5 e 2.5 volte piu’ elevati di sistema convenzionale

� Costi annuali circa 20 - 40 % piu’ elevati per sistemi di piccole dimensioni (potenza frigorifera < 50 kW) e 10 - 20 % per sistemi di grandi dimensioni

� Finanziamento del campo collettori di circa 200 €/m2 porta a situazioni vicine a cost break-even (i.e., il sistema si ammortizza durante l’attesa di vita)

� Stato attuale SAC non sono economicamente competetitivi nella maggior parte dei casi;

� E‘ necessario ulteriore sviluppo sia delle tecnologie solari che delle macchine refrigeranti per queste applicazioni per aumentare la competitività del settore;

� Necessità di incentivi in funzione della tipologia di utenza, della zona climatica, della struttura tariffaria. Che forme di aiuto sono piu‘ adatte?

Sommario prestazione economica edenergetica


Sommario riduzione fabbisogno PE

� Sistemi autonomi e con back-up elettrico danno sempre luogo a riduzione fabbisogno PE. I secondi anche con basse SF al fine di ridurre consumo di energia elettrica.

� E’ spesso possibile riduzione di fabbisogno PE consistenti con sistemi back up a combustibile fossile (e.g. gas) anche rispetto alle macchine refrigeranti ad espansione diretta più efficienti.

� Sistemi con back-up alimentato a combustibile fossile (e.g. gas) devono rientrare in un determinato intervallo di SF per ottenere voluta riduzione PE

� Valori tipici campo collettori in rapporto area edificio uffici:

0,1 – 0,3 [m2/m2]

� Valori tipici di campo collettori per tecnologia impiegata:

Tecnologia Area collettori Media Area coll

DEC 5-20 [m2/1000 (m

3/hour)] 8.2 [m

2/1000 (m

3/hour)]

As - Adsorbimento 1 - 6 [m2/kWcold] 2.5 - 3.4 [m

2/kWcold]


� Standardizzzione sistemi piccole dimensioni. Sistemi solar combi plus

� Esperienza impianti grandi dimensioni per AC e refrigerazione

� Sviluppo di nuovi componenti e tipologid’impianto: Adsorbimento, nuovi DEC, diverse tipologie utenza

� Diffusione informazione/know-how

Cosa resta da fare…

TASK 38Solar Air-Conditioning

andRefrigeration



� Italia il più vasto mercato di condizionamento dell’aria d’Europa.

Prospettiva: non perderà il primato e di conseguenza aumenteranno gli effetti

dovuti alla climatizzazione estiva: carico di rete, consumi energia, etc.

� Forte crescita mercato ST: trascinamento per SC � ottime opportunità di

crescita nel prossimo decennio.

� Poche attività rivolte al condizionamento dell’aria attraverso energia solare.

Operatori ST riconoscono interesse ma posizione attendista. No

investimento medio termine.

� Mancanza di un piano organico di politiche di sviluppo industriale e ricerca

puntato sull’industria nazionale anche in questo settore: es.Spagnoli e tedeschi.

� Esistono nicchie di sviluppo tecnologico che potrebbero essere sfruttate: es.

produzione macchine piccola capacità, sistemi di refrigerazione, impianti HVAC

Grazie per la vostra attenzione!!

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Solar cooling: tecnologia, applicazioni e prospettive per ... · Sistema solare semplificato e semplice integrazione con l’impianto di condizionamento no back-up, no serbatoio Schema