Dipartimento di Energetica (Politecnico di Torino) – Fondazione TELIOS
Torino, 25 Settembre 2009
Sostenibilità energetica in ambito Sostenibilità energetica in ambito urbano:urbano:
Metodologie di analisiMetodologie di analisi Ing. Novella TALA’,
Responsabile Scientifico Prof. Massimo SANTARELLIDipartimento di Energetica, Politecnico di Torino
Fondazione TELIOS
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Fasi di sviluppo dell’assegno1. Ricerca bibliografica sui modelli di analisi energetica e
ambientale di sistemi urbani di grandi dimensioni
2. Classificazione dei modelli di analisi ed eventuali software applicativi
3. Studio domanda energetica per settori (Trasporti, Residenziale,Commerciale, …) e relativi aspetti ambientali
4. Metodi di analisi di sistemi energetici territoriali
5. Caso studio preliminare •CASE STUDY: Quartiere di Torino •Raccolta dati •Analisi dello stato attuale •Proposta e analisi scenari alternativi •Conclusioni
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Obiettivi dell’assegno
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Lo studio si propone di confrontare metodologie di offerta e gestione di energia in tutti i settori che caratterizzano l’ambito urbano
Perché ambiti urbani?
Perché sono tra i principali consumatori di energia responsabili di impatti sulla biosfera e pertanto possibili laboratori di applicazione dei processi di produzione e gestione sostenibile dell’energia.
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Il sistema energetico di riferimento (1)
Gli ambiti urbani rappresentano dei sistemi energetici complessi in cui i flussi di energia e di materiale sono collegati da reti di tecnologie articolate, con singole componenti ugualmente complesse
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Il sistema energetico di riferimento (2)
L'approccio modellistico permette di rappresentare le realtà urbane traducendo in termini matematici i flussi energetici ed i costi economici e ambientali del sistema
Rappresentazione aggregata di un sistema energetico di riferimento
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Il sistema energetico di riferimento (3)
Diagramma energeticoFonti
primarieFonti
secondarieVettori
energetici
Processi Conversione
Residenziale
Servizi
Terziario
Trasporti
Industria
Dispositivi
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Metodi di analisiSono state esplorate metodologie utili alla comprensione delle trasformazioni dei flussi energetici;
Metodi di analisi adottati:
•Analisi ENergetica (Analisi WTW)
•Analisi Ambientale
•Analisi EXergetica
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Analisi di un sistema energetico territorialeFasi principali dell’analisi:
Analisi
Costruzione del diagramma energetico
Acquisizione, elaborazione e controllo dei dati
Descrizione del sistema e dei suoi confini
Rappresentazione dei risultati
Interpretazione dei valori
Calcolo indicatori (ENergetici, EXergetici, Ambientali)
Valutazione finale
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Analisi ENergetica-AmbientaleL’analisi WTW rappresenta una metodologia di valutazione ENergetico-Ambientale specifica per autotrazione e costituisce un caso particolare della metodologia Life Cycle Assessment (LCA)
•L’indice WTT (Well-to-Tank) tiene conto dell’energia utilizzata per
estrarre, lavorare e trasportare la fonte primaria sino al parco combustibili.
•L’indicatore TTW (Tank-to-Wheel) caratterizza le modalità con cui il
combustibile è impiegato in una specifica tecnologia.
•L’indicatore composto WTW (Well-to-Wheel) permette di paragonare le
diverse combinazioni di fonte primaria e tecnologia che la utilizza.
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Analisi ENergeticaSchematicamente le fasi della sequenza WTW sono
Produzione, trasporto e distribuzione materie prime
Fase d’uso(utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia)
WTTEN
TTWEN
WTWEN
Fase 1
Fase 2
L’indicatore WTWENERGETICO valuta i costi energetici di un
servizio energetico espressi in MJ/MJ
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Analisi AmbientaleSchematicamente le fasi della sequenza WTW sono
Produzione, trasporto e distribuzione materie prime
Fase d’uso(utilizzo vettore energetico da parte della tecnologia)
WTWAMB
Fase 1
Fase 2
L’indicatore WTWAMBIENTALE valuta i costi ambientali di un
servizio energetico espressi in t(CO2)/MJ
WTTAMB
TTWAMB
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Indicatori:
•Efficienza energetica
•Fabbisogno di energia primaria
•CO2(emessa)/y
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Analisi ENergetica-Ambientale
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Analisi EXergetica (1)La conservazione dell’energia nel suo complesso enunciata dal Primo Principio della Termodinamica fornisce informazioni quantitative, ma non rende conto delle qualità intrinseche di una forma di energia rispetto ad un’altra.
Il Secondo Principio della Termodinamica permette di conoscere in termini anche qualitativi le energie in gioco.
Perdita di qualità energetica in un processo reale
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Analisi EXergetica (2)
L’Exergia di un flusso energetico (termico, elettrico, associato
a una massa) è la massima quantità di lavoro ottenibile da una
trasformazione reversibile del flusso energetico fino a portarlo
in equilibrio con l’ambiente
L’ EXergia posseduta da un certo sistema è definita “come il
massimo lavoro estraibile dai flussi di energia che il sistema
scambia con l’ambiente circostante sino a portarsi in equilibrio
con esso”.
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Analisi EXergetica (3)L’ENergia si conserva sempre, non si può né distruggere, né creare. L’EXergia si conserva solamente in un processo reversibile; tutti i processi reali però sono di tipo irreversibile, per cui alla fine di ogni processo è destinata a degradarsi.
In un sistema antropico l’ENergia in ingresso fluisce ed esce quantitativamente invariata, mentre l’EXergia si consuma all’interno del sistema arrivando, in alcuni sistemi, anche ad annullarsi.
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Analisi EXergetica (4)L’Analisi EXergetica permette di analizzare le prestazioni di un sistema dal punto di vista di un utilizzo razionale delle risorse consumate.
L’Analisi EXergetica viene utilizzata per identificare i componenti in cui si sprecano le risorse energetiche del sistema, il tipo e l’entità di questo spreco, ed è quindi utile per sviluppare strategie per un miglior utilizzo delle risorse.In sintesi serve a:-quantificare come l’ENergia si degrada attraverso la evoluzione della distruzione della grandezza EXergia ;-confrontare diversi processi attraverso un ulteriore indice chiamato efficienza EXergetica.Questa analisi è applicabile sia per i singoli componenti che per il sistema globale
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Analisi EXergetica (5)Il diagramma di flusso dell’EXergia nella trasformazione in esame identifica un generico processo come “black-box” nel quale confluiscono e si diramano i vari flussi EXergetici.
In ingresso abbiamo i flussi:•Risorsa (F) Mentre in uscita:•Prodotto utile (P)•Flusso EXergetico non utilizzato (L)•Irreversibilità (D).
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Analisi EXergetica (6)
Indicatore caratteristico:
•Efficienza EXergetica
FI
FP
1risorsa exergia
utili prodotti dei exergiaηex
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Principali novità significative alla metodologia
A. Uso della struttura di calcolo propria della Teoria del Costo
EXergetico per eseguire l’analisi ENergetica TTW
B. Uso della grandezza EXergia per la ripartizione dei carichi
ambientali.
Per i componenti che riversano verso l’esterno due o più prodotti
ENergetici come per esempio il caso di un sistema di cogenerazione,
lo studio ha proposto il calcolo del costo ambientale dei prodotti
ENergetici attraverso degli indici di attribuzione della CO2 in base ad
un fattore peso che tiene conto dell’EXergia
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Fonti WTWEN
WTTEN : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di: EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/ Joint Research Center-European Commission/ Conservation of Clean Air and Water in Europe)
Attraverso un certo numero di percorsi il combustibile in esame può essere prodotto a partire da diverse fonti energetiche primarie.Ciascun percorso è composto da una serie di processi utili alla produzione del combustibile finito, reso disponibile alla tecnologia.Un percorso completo è perciò una combinazione e una successione di processi.
TTWEN : Calcolati attraverso la Teoria del Costo EXergetico modificata
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Note sulla Teoria del Costo EXergetico
Allo scopo di formalizzare una procedura rigorosa per l’assegnazione
di un indice TTWEN ai flussi in uscita di un componente a più prodotti
è stata applicata con le opportune modificazioni La Teoria del Costo
EXergetico
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La Teoria del Costo EXergetico rappresenta una procedura di
assegnazione dei costi dei flussi energetici del sistema nell’ambito
dell’Analisi Termoeconomica. L’Analisi Termoeconomica è una
disciplina che ha l’obiettivo di attribuire un costo ad ogni flusso di
sistema per valutare le prestazioni del sistema stesso
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La Teoria del Costo Exergetico sviluppa il concetto di costo
exergetico di un flusso di exergia:
è la quantità di exergia che deve essere spesa nel sistema per
ottenere il determinato flusso di exergia considerato
Il costo exergetico unitario del flusso considerato rappresenta
il costo exergetico del flusso per unità di exergia del flusso
stesso
Note sulla Teoria del Costo EXergetico
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EQUAZIONI DI BILANCIO
L’equazione di bilancio del flusso exergetico applicata ad un sistema con m componenti collegati tra di loro e con l’ambiente esterno da n flussi
0* A
IA
L’equazione di bilancio del costo exergetico per il sistema assume la forma
*Le equazioni ausiliarie di tipo lineare
0*A L’insieme delle equazioni fondamentali e di quelle ausiliarie
porta al sistema
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Ragionando in termini di costo energetico la procedura di assegnazione dei costi exergetici è stata applicata sostituendo al concetto di costo exergetico il concetto di costo energetico per passare al costo energetico unitario che è stato interpretato come il parametro TTWEN
DETERMINAZIONE TTWENERGETICO CON SISTEMI MULTI-PRODOTTO
** u
ENu TTW*
costo energetico unitario
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Fonti WTWAMB
WTTAMB : I parametri adottati fanno riferimento al lavoro di:
EUCAR/JRC/CONCAWE (European Council for Automotive R&D/
Joint Research Center-European Commission/ Conservation of
Clean Air and Water in Europe)
TTWAMB : fattori di emissione caratteristici degli impianti
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Caso studioIl Quartiere:
Superficie: 100.000 m2
Popolazione: 2.500 abitanti
Fabbisogni termici: 7000 MWh/y
Fabbisogni elettrici: 2000 MWh/y
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Caso studio: Scenario base (1)
Il modello ed i suoi componenti
Componente 1:una caldaia a condensazione e due caldaie a gas;
Componente 2:chiller a compressione
Componente 3:co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento;
Componente 4:Moduli fotovoltaici
caldaia
cogeneratore
chiller
fotovoltaico
chiller
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Caso studio: Scenario base (2)
Descrizione dei flussi
Flussi in entrata:Gas Naturale:La conversione in flusso exergetico avviene utilizzando il suo potere calorifico inferiore (PCI)
Flussi in uscita:Flusso di Calore:L’exergia termica associata ad un flusso di calore è proporzionale al flusso secondo un fattore funzione della temperatura
Energia Elettrica:Il flusso di exergia è coincidente con il flusso di energia trattandosi di una energia di tipo elettrico-meccanico
ComponenteEXNGEXELE
EXCAL
ComponenteENNGENELE
ENCAL
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Caso studio: Scenario base (3)
Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
caldaia
chiller
cogeneratore
fotovoltaico
7722
100
2517
375
7722
100
2517
375
6178
476
9701168234
60
900
40
97021727
60
Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW)
chiller
caldaia
chiller
cogeneratore
fotovoltaico
chiller
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Caso studio: Scenario base (4)
Rendimenti energetici ed exergetici
Efficienza energetica
Efficienze exergetiche
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
risorsa energiaprodotto ilcon uscitain energiaηen
risorsa exergiautili prodotti dei exergiaηex
Componente ηen ηex
caldaia 0.80 0.12
chiller 4.76 0.37
cogeneratorechiller
0.85 0.48
Fotovoltaico 0.16 0.17
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Caso studio: Scenario base (5)
Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
7722
100
2517
375
7722
100
2517
375
6178
476
9701168234
60
900
40
97021727
60
Flussi eNergetici entrata/uscita (kW) Flussi eXergetici entrata/uscita (kW)
80.0EN
85.0EN
76.4EN
16.0EN
12.0EX
48.0EX
37.0EX
17.0EX
caldaia
chiller
cogeneratore
fotovoltaico
chiller
caldaia
chiller
cogeneratore
fotovoltaico
chiller
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Caso studio: Scenario base (6)Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
caldaia cogeneratore fotovoltaicochiller
chiller
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Caso studio: Scenario base (7)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWENERGETICA
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BILANCIO ENERGETICO
Componenti TTW TTW WTT WTT WTW MWh - MWhf MWhx/MWhf MWhx MWhPR
Energia elettrica importata Energia elettrica
importata 1051.00 1.00
Energia elettrica
importata 1051.00 1.87 1965.37 3016.37
BoilerEnergia termica prodotta (boiler) 2147.00 1.25
Natural Gas importato (boiler) 2683.75 0.0567 152.17 2835.92
Cogeneratore
Energia elettrica autoprodotta
(CHP) 4122.50 1.0612
Natural Gas importato
(CHP) 4374.80 0.0567 248.05 4622.85
Energia termica prodotta (CHP) 5958.50 1.0612
Natural Gas importato
(CHP) 6323.16 0.0567 358.52 6681.68
Energia elettrica esportata Energia elettrica
esportata -3275.50 1.00
Energia elettrica esportata -3275.50 1.87 -6125.19 -9400.69
PV Systems
Energia elettrica autoprodotta (ATC
PV Systems) 54.00
Energia elettrica autoprodotta (District PV
Systems) 104.00
7756.13
Fabbisogno finale di energia primaria
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Caso studio: Scenario base (8)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWENERGETICA
WTW (MWhPR)
MWh
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Caso studio: Scenario base (9)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWENERGETICAMWh
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Caso studio: Scenario base (10)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWAMBIENTALE
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BILANCIO AMBIENTALE
Componenti WTT WTT TTW TTW WTW MWhf tCO2/MWhf tCO2 tCO2/MWh tCO2 tCO2
Energia elettrica
importata1051.00 0.435 457.06 0.00 0.00 457.06
Elettricità importata
Boiler
2683.75 0.010 27.34 0.202 542.12 569.46
Natural Gas (boiler)
Cogeneratore
4374.80 0.010 44.57 0.202 883.71 928.28Natural Gas (CHP,ELE)
6323.16 0.010 64.42 0.202 1277.28 1341.70
Natural Gas (CHP,TH)
Energia elettrica esportata
-3275.50 0.435 -1424.45 0.000 0.00 -1424.45Elettricità esportata
PV Systems
-831.06 2703.10 1872.05Totale CO2
emessa
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Caso studio: Scenario base (11)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWAMBIENTALEt(CO2)/y
WTW [t(CO2)]
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Caso studio: Scenario base (12)
Considerazioni scenario base:
L’analisi dello scenario di riferimento (indicatore scelto,
rendimento exergetico) mette in evidenza le criticità del caso
base in termini di efficiente sfruttamento delle risorse primarie:
la maggiore criticità (maggiori irreversibilità) sono associate al
componente caldaia; si suggerisce la sostituzione del
componente costituito dalla caldaia con un nuovo componente
integrato costituito da cogeneratore + pompe di calore.
Si propone uno scenario alternativo
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Caso studio: Scenario alternativo (1)
Il modello ed i componenti
Componente 1:Co-generatore;
Componente 2:Pompe di calore
Componente 3:chiller a compressione
Componente 4:co-generatore accoppiato ad un chiller ad assorbimento;
Componente 5:Moduli fotovoltaici
Elettricità
cogeneratore
cogeneratore
pompe dicalore
fotovoltaico
chiller
chiller
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Caso studio: Scenario alternativo (2)
Flussi energetici ed exergetici in entrata e in uscita per tutti i componenti
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Componente ΦF(kW) ΦP(kW) ψF(kW) ψP(kW)
cogeneratore 2517 1168970
2517 970217.2
pompe di calore
1138 5014 1.1380 356.9
chiller 100 476 100 367
cogeneratorechiller
2517 9701168234
2517 970217.227.4
fotovoltaico 375.5 59.6 356.5 59.6
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Caso studio: Scenario alternativo (3)
Efficienze energetiche ed exergetiche
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Componente ηen ηex
cogeneratore 0.85 0.47
pompe di calore
0.87 0.31
chiller 4.76 0.37
cogeneratorechiller
0.85 0.48
fotovoltaico 0.16 0.17
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Caso studio: Scenario alternativo (4)Efficienze energetiche ed exergetiche dei componenti
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
cogeneratore cogeneratorepompe dicalore
fotovoltaicochiller
chiller
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Caso studio: Scenario alternativo (5)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWENERGETICA
WTW (MWhPR)
MWh
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Caso studio: Scenario alternativo (6)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWENERGETICAMWh
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Caso studio: Scenario alternativo (7)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Analisi WTWAMBIENTALEt(CO2)/y
WTW [t(CO2)]
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Cavour, 6 Marzo 2009
Confronto scenari
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
Fabbisogno finale energia primaria
Totale CO2 emessa
Rendimento eXergetico totale
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Conclusioni e obiettivi dello studio (1)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
•Il lavoro mira a fornire indicazioni di tutela ambientale e indirizzi per il
governo del territorio tramite suggerimento di interventi nei processi di
produzione e gestione sostenibile dell’energia
•La scelta del sistema oggetto di studio, la città, appare la più
appropriata in quanto centro utile alla ricerca e alla applicazione di
soluzioni atte a ridurre il nostro impatto ambientale e diminuire le
emissioni da gas serra
•Lo studio si propone di evidenziare i punti di forza e di debolezza di
sistemi energetici urbani di grandi dimensioni al fine di identificare le
necessità, i rischi e le opportunità per il futuro degli stessi
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Conclusioni e obiettivi dello studio (2)
Tabella 1: Scenario base
ΨF,TOT=10696 kWΨP,TOT=2212 kWΨI,TOT=8484,2 kWηex,tot=1-ΨI,tot/ΨF,tot=0,2068
In conclusione questo lavoro ha raggiunto gli obiettivi prefissati :
•Sono state analizzate le principali caratteristiche dei sistemi energetici
urbani
•E’ stata approfondita una metodologia per lo studio dei suddetti sistemi
•E’ stato sviluppato un caso studio che ha una caratteristica di
replicabilità fondamentale per applicazioni reali dei metodi a realtà
metropolitane più o meno estese e complesse; tale lavoro richiede una
fase necessaria di acquisizione dei dati energetici e tecnologici, e una
fase di elaborazione dei dati e di analisi dei risultati
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