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Rame, risparmio energetico ed energie rinnovabili Istituto Italiano del Rame

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Rame, risparmio energetico

ed energie rinnovabili Istituto Italiano del Rame

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Indice

1. Il rame: proprietà tecnologiche

2. Il rame per le energie rinnovabili

3. Il rame per l’energia eolica

4. Il rame per l’energia solare termica

5. Il rame per l’elettricità

6. Il rame e i pannelli radianti

7. Il rame e la geotermia

8. La pista di pattinaggio a Katrineholm

9. Rame e risparmio energetico: approfondimenti e bibliografia

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1. Il rame: proprietà tecnologiche

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Principali caratteristiche del rame

Ottima conduzione di elettricità e calore

Lavorabilità a freddo e a caldo

Resistenza meccanica

Resistenza alla corrosione

Resistenza alle alte e basse temperature

Facilità di formare leghe

Attitudine alla giunzione

Possibilità di trattamenti superficiali

Riciclabilità

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Conduttività termica del rame

Metallo Conduttività in W/(m*K)

Conduttività in %

Argento 418 107

Rame 390 100

Oro 300 77

Alluminio 210 54

Zinco 110 28

Nickel 90 23

Ferro 80 20

Titanio 22 6

Acciaio inox (304) 16,2 4

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Conducibilità elettrica del rame

Metallo Resistività in Ω*mm2/m

Conducibilità in %

Argento 0,0159 105

Rame 0,0167 100

Oro 0,0235 72

Alluminio 0,0267 62

Zinco 0,059 28

Nickel 0,068 24

Ferro 0,095 17

Titanio 0,234 7

Acciaio inox (304) 0,689 2,5

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2. Il rame per le energie rinnovabili

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Il rame e il risparmio energetico

Alta conducibilità

elettrica e alta

conduttività termica

Impianti

efficienti

Risparmio

energetico

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Fonti di energia rinnovabile

Tecnologia Dov’è il rame?

Eolico Generatori, motori, cavi trasformatori

Solare termico Scambiatori di calore, tubazioni

Solare fotovoltaico Convertitori, trasformatori, cavi

Geotermia Captatori nel terreno

Biomasse e

biocombustibili

Generatori, cavi

Idroelettrica Generatori, trasformatori,

Maree cavi generatori, cavi per raccolta e trasmissione di

energia

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3. Il rame per l’energia eolica

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Energia eolica

In una turbina da 1MW: da 3 a 4 tonnellate

di rame

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Energia eolica

Generatore:

avvolgimenti di

rame

Cavi di potenza in

rame

Trasformatore:

avvolgimenti di

rame

Stazione di

trasmissione:

avvolgimenti di

rame

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4. Il rame per l’energia solare termica

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Il rame negli impianti del solare termico

Immagine da: AmbienteItalia: “Impianti solari termici -

Manuale per la progettazione e costruzione”

Circuiti di

collegamento

Collettori

Accumuli

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Maximum 2 lines Il rame negli impianti del solare termico:

i collettori

Conduttività Resistenza alle alte temperature

Trattamenti chimici di annerimento Giunzioni con le piastre sottili

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Maximum 2 lines Il rame negli impianti del solare termico:

i circuiti di collegamento

Tubi WICU® Solar Duo, da KME

Resistenza alle alte T

Superficie interna liscia

Diametri minori

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Maximum 2 lines Il rame negli impianti del solare termico:

i serpentini degli accumuli

Immagine da presentazione SolarPraxis: “Impianti

solari termici - Corso per installatori”

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Tetto energetico:

la struttura (Tecu® Solar Roof)

TUBO DI MANDATA

SUPERFICIE CAPTANTE IN

LAMIERA DI RAME

MODULO CAPTANTE IN

LAMIERA DI RAME

SERPENTINA DI RAME A

SEZIONE OVOIDALE

TUBO DI RITORNO

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Tetto energetico

Sistema in moduli

Varie finiture

Integrazione con la copertura

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Tetto energetico:

residenza “I fenicotteri” (Cagliari)

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Tetto energetico:

Dynamo Camp (Limestre, PT)

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Tetto energetico:

villa privata (Arona, NO)

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Facciata energetica:

piscina a Pori (Finlandia)

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Maximum 2 lines Facciata energetica:

piscina a Pori (Finlandia)

In facciata 80 m2 di collettori in facciata

Sul tetto 360 m2 di pannelli PV e 200 m2 di collettori

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Maximum 2 lines Facciata energetica:

la piscina a Pori (Finlandia)

• Collettori solari: 5% del fabbisogno di calore (120.000 kWh)

• In estate: riscaldamento sufficiente per piscina all’aperto

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5. Il rame per l’elettricità

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Motori elettrici:

efficienza = risparmio

da: S.Vignati, E.Ferrero, “I motori elettrici ad alta efficienza”

Esempio:

motore da 15kW

costo di 520 €

3500 h/anno

10 anni,

En.el. 0,07€/kWh

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Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

• In genere, nei motori

standard fino a 10 kW

c’è 1 kg di rame per kW;

• gli HEM contengono il

20% di rame in più.

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Rame, sezione maggiorata dei conduttori: meno perdite di energia e

surriscaldamenti

T più basse: il motore dura di più e necessita di ventole di raffreddamento più

piccole.

Meno attriti meccanici, meno volume e meno rumore.

Attrito meccanico, effetto Joule e correnti parassite:

negli HEM queste perdite sono ridotte attraverso la scelta dei materiali, del

design e dell’assemblaggio degli elementi.

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

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Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

da: H. De Keulenaer, R.Belmans, E. Blaustein, D. Chapman, A. De Almeida, B. De Wachter, P. Radgen:

„Energy Efficient Motor Driven Systems”

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Gli investimenti necessari (rame in

più e le apparecchiature) sono

compensati dai risparmi ottenuti.

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)

Ritorno dell’investimento (payback) Da 3 mesi a 3 anni

Importazioni combustibili fossili - 6%

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“Each additional kg of copper use saves well over 3 tonnes of CO2e emissions

in this particular application.

Given that one kg of copper takes 3 kg of CO2eq emissions in production (for

electrical applications, [Copper, 2006]), the environmental payback is more than

a factor 1000, while at the end of life, the kg copper can be recycled for the

next application.”

H. De Keulenaer, C. Herrmann, F. Parasiliti: “Ecosheet - 22 kW induction motors

with increasing efficiency”

Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.):

impatto ambientale

LCA (produzione, utilizzo, fine vita) di 3 motori ad induzione da 22 kW

(pompaggio di acqua, aria compressa o ventilazione)

Vita utile: 20 anni, carico 50%,

Efficienza: 89,5% / 91,8% / 92,6%

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“Each additional kg of copper use

saves over 500 kg of CO2 eq

emissions in this particular

application.”

H. De Keulenaer: “Ecosheet – 1,6 MVA industrial transformer design

with increasing efficiency”

Classe Rame (kg) CO2 (t)

AA’ 505 897

CC’ 725 683

C-Amorphous 1225 522

Trasformatori ad alta efficienza (H.E.M.)

impatto ambientale

LCA di 3 trasformatori industriali da 1,6 MVA

Vita utile: 30 anni, carico 50%

Classe (secondo CENELEC HD 428) : AA’ / CC’ / C-Amorphous

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6. Il rame e i pannelli radianti

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Il calore viene fornito

per irraggiamento dal

pavimento o dalla

parete

Immagine da: KME Solar

I pannelli radianti

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UNI EN 1264-2, prospetto A.15

Per un materiale, il dato più importante è la conduttività termica

Pannelli radianti:

la UNI EN 1264-2

Materiale Conduttività termica W/(m*K)

Tubo di rame 390

Tubo PE-X 0,35

Tubo PB 0,22

Tubo PP 0,22

Tubo in PVC senza scanalatura 0,2

Tubo in PVC con scanalatura 0,15

Conduttori in alluminio 200

Tubo di acciaio 52

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Tabella tratta da: “Impianti termici di benessere”, di S.

Gioria. pagg. 30-32.

Passo (cm) Rame (W/m2) Pex ( W/m2) differenza

5 127 118 + 7%

10 122 108 + 12%

12 120 104 + 15%

15 116 98 + 18%

20 108 88 + 22%

25 100 79 + 26%

30 92 71 + 29%

Pannelli radianti, l’influenza della tubazione:

resa termica del pavimento

Pavimento: parquet

T ambiente: 20°C

T media acqua:

40°C

Si considera la

soletta classica,

con 3 cm di

isolante

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Passo maggiore

meno metri di tubo

Sistema ModulRadiant®

Meno curve

meno perdite di carico

Dilatazione termica minore

No additivi per il cemento

Pannelli radianti

Vantaggi del tubo di rame

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Cattedrale di Lodi

Impianto a pannelli a pavimento

installato nel 1964.

Oltre 5.800 metri di tubo di rame.

Pannelli radianti

Durata del tubo di rame

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Sede Naturalia-BAU s.r.l.,

Merano (BZ)

Arch. Dietmar Dejori, 2008

E’ il primo edificio commerciale

a emissioni zero

Pannelli radianti

Impianti a parete

Fabbisogno energetico:

7,44 kWh/m² (CasaClima ORO)

• Impianto geotermico

• Impianto fotovoltaico

• Pareti e tetti coibentate

• Finestre a tre strati

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7. Il rame e la geotermia

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Immagine da: www.sofath.com

La geotermia

Serpentine interrate

“prelevano” il calore

del terreno per

riscaldare la casa.

In estate l’impianto

può essere usato per

il raffrescamento.

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Tecnologia Sofath, gamma Caliane dex

Il tubo di rame per la geotermia

Tubi di rame per i

captatori nel terreno:

• Fluido refrigerante

R410

• Resistenza alle alte P

• Basse perdite di carico

• Minore occupazione di

spazi

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Dati tratti da presentazione tecnica Sofath

Confronto: tecnologia DEX/acqua glicolata

Modello Caliane 15.10: Termeo 14 Cap.:

Descrizione Pompa di calore, tubo

in rame

Acqua glicolata, tubo in

plastica

Potenza 15.100 Wterm 14.050 Wterm

Potenza assorbita 3.660 Wel 3.510 Wel

Potenza prelevata 11.440 W 10.540 W

Superficie di terreno

occupata

270 m2 450m2

Resa 42,37 W/m2 23,42 W/m2

Geotermia

Confronto tra sistemi con rame e con plastica

Sono stati presi in considerazioni due sistemi geotermici di potenza simile, per confrontare

la loro resa attraverso la superficie di terreno occupata dai captatori.

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8. La pista di pattinaggio a Katrineholm

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Una pista di ghiaccio per pattinaggio

consuma in media 1.000-1.500 MWh/anno.

Pista di pattinaggio a Katrineholm

Per minimizzare i costi di gestione, a

Katrineholm (Svezia) hanno scelto un

impianto di raffreddamento con CO2 come

fluido refrigerante e tubi di rame

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Pressione di lavoro: 40 bar.

Scelta tra tubi di rame e acciaio

Pista di pattinaggio a Katrineholm

Il fluido refrigerante

Fluido refrigerante: CO2 al posto di acqua+CaCl2

• La CO2 riduce del 90% l’energia da dare alle pompe di circolazione.

• La CO2 è un sottoprodotto di altri processi industriali.

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Tubi di rame e non di acciaio:

• Eccezionale conduttività termica

• Più semplici da giuntare (brasatura)

• Più semplici da installare

• Disponibilità di rotoli fino a 60 m

• Riciclabilità totale

Tubo di rame:

½’ x 0,85 mm

pellicola in PE (spessore, 0,45 mm)

pulizia interna a norma EN 12735

Sviluppo complessivo: 18 km

Pista di pattinaggio a Katrineholm

Il tubo

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T di evaporazione della CO2 (in °C), necessaria per ottenere una T superficiale

del ghiaccio di –4°C, al variare del trasferimento di calore (passo di 100 mm)

Pista di pattinaggio a Katrineholm

calcoli numerici (tubi, passo, portata)

Tubo Trasferimento di calore, in W/m2

50 100 150 200 250 300

Rame ½’ con

rivestimento PE

-6,03 -7,77 -9,50 -11,24 -12,97 -14,71

Rame ½’ senza

rivestimento PE

-5,87 -7,46 -9,04 -10,62 -12,20 -13,79

Acciaio 21,3 mm -5,89 -7,34 -8,78 -10,22 -11,67 -13,11

Plastica 25 mm -7,83 -9,65 -11,47 -13,29 -15,11 -16,93

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100 W/m2,

100 mm

Pista di pattinaggio a Katrineholm

caduta di temperatura nei materiali del tubo

Dentro la parete in rame (spessore 0,85 mm) 0,001°C

Dentro la pellicola PE (spessore 0,45 mm) 0,31°C

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Pista di pattinaggio a Katrineholm

risparmi energetici ottenuti

Pompa per circolazione CO2

Impianto tradizionale (fluido: acqua e CaCl2): 12-15 kW (media: 13,5 kW)

13,5 kW x 8000 h/anno circa = 108.000 kWh/anno

la pompa per la CO2 consuma il 90% in meno:

circa 97.200 kWh/anno

Temperatura della CO2 e conduttività termica del rame

Circa 50.000 kWh/anno

Totale risparmio del sistema rame+CO2

Circa 150.000 kWh/anno (Al costo dell’elettricità svedese: 15.000 €)

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Pista di pattinaggio a Katrineholm

risparmi ottenuti

Ritorno dell’investimento

Costo supplementare per il “sistema” rame+CO2 : +75.000 €

Ritorno dell’investimento: poco più di 5 anni

Inoltre:

• Impianto per il recupero del calore generato dal sistema di refrigerazione e

altre ottimizzazioni dell’impianto: 400.000 kWh/anno

• Alla fine del ciclo di vita dell’impianto: tubo facilmente riciclabile

• Premio dalla Agenzia di Protezione Ambientale svedese

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9. Rame e risparmio energetico: approfondimenti e bibliografia

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Bibliografia e approfondimenti

Risparmio energetico, energia solare, geotermia

IIR: “Il tubo di rame e il risparmo energetico” (brochure:

www.iir.it/newslett/Newsletter%20risparmio%20energetico.pdf)

ECI-CEDIC: “Copper: solar Energy’s perfect partner”

(www.eurocopper.org/doc/uploaded/File/PK%20Copper%20Solar%20Energy%

20EN%20171006.pdf)

Sito IIR: “Solare e Geotermia” (www.iir.it/applicazioni/solare.asp)

ECI: “Copper at the core of Renewable energies”

(www.eurocopper.org/doc/uploaded/File/Press%20Kit%20Copper%20in%20Re

newables%20Final%2029%2010%202008.pdf)

ECI, Solarapraxis: “Impianti solari termici, corso per installatori” (presentazione)

IIR: “Il rame per una casa più sostenibile” (brochure: www.il-rame-nobilita-la-

casa.it/media/63946/il_rame_per_una_casa_pi__sostenibile.pdf)

KME: “Tecu® Solar System”

Documentazione tecnica Sofath

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Bibliografia e approfondimenti

Motori elettrici

H. De Keulenaer, C. Herrmann, F. Parasiliti: “Ecosheet - 22 kW induction motors

with increasing efficiency”, May 2006 (www.leonardo-

energy.org/webfm_send/359)

A.Baggini, F.Bua: “Motori elettrici ad alta efficienza e risparmio energetico”

(U&C, lug./ago 2008)

H. De Keulenaer: “Ecosheet – 1,6 MVA industrial transformer design with

increasing efficiency” (www.leonardo-energy.org/files/root/pdf/2006/Case6-trafo-

1600-50.pdf )

S.Vignati, E.Ferrero: “I motori elettrici ad alta efficienza” (Gestione energia,

n.4/2004, http://motorchallenge.casaccia.enea.it/motori_elettrici.pdf)

H. De Keulenaer, R.Belmans, E. Blaustein, D. Chapman, A. De Almeida, B. De

Wachter, P. Radgen: “Energy Efficient Motor Driven Systems” (www.leonardo-

energy.org/webfm_send/2631)

Leonardo Energy (www.leonardo-energy.org/high-efficiency-motor-systems)

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Bibliografia e approfondimenti

Pannelli radianti e pista di pattinaggio

IIR: “Rame. Il materiale ideale per il riscaldamento radiante” (brochure:

www.iir.it/newslett/prof_11_1.htm)

M. Crespi: “Il rame scalda la cattedrale da oltre 40 anni” (GT, ott. 2006

www.iir.it/attivita/pdf/articoli/GT%20cattedrale%20Lodi%2010-2006.pdf)

S. Gioria: “Impianti termici di benessere”

K. Shahzad: “An Ice Rink Refrigeration System based on CO2 as Secondary

Fluid in Copper Tubes” (Dottorato di ricerca; Royal Institute of Technology,

Stoccolma, 2006) (www.vintersportarenor.se/media/1121/ice%20rink%20co2+cu_tube%20thesis%20feb06.pdf)

J. Rogstam, S. Sawalha, P.O. Nilsson: “Ice Rink Refrigeration System with CO2

as Secondary Fluid” (ScanRef 5-2005) (www.iuc-

sek.se/upload/Media/Artikel%20Ice%20rink%20Scanref%20sep05.pdf)

M. Crespi: “Una pista di pattinaggio con impianto a CO2” (Costruire Impianti 3-

2008: www.iir.it/attivita/pdf/articoli/Costruire%20Impianti%203-2008%20-

%20Una%20pista%20di%20pattinaggio%20con%20impianto%20a%20CO2.pdf)

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Via dei Missaglia 97 - 20142 Milano.

Tel.: 02 89 30 1330 – Fax: 02 89 30 1513

[email protected] - www.copperalliance.it

Agosto 2012