Cosa c'entra il phase-out del nucleare con i costi di riscaldamento?

Produzione lorda di energia elettrica in Germania nel 2006
Fonte: Associazione tedesca delle industrie dell'energia e dell'acqua (BDEW)

Gentile signore o signora,

Il nostro governo federale ha appena approvato una risoluzione:

•  Le sette centrali nucleari più vecchie della Germania, inizialmente spente temporaneamente dopo il disastro nucleare giapponese, non saranno mai ricollegate alla rete.
• La vita operativa residua delle altre dieci centrali nucleari sarà limitata a una data fissa.
• L'energia nucleare sarà definitivamente eliminata alla fine del 2022, ma la tassa sulle barre di combustibile nucleare rimarrà in vigore.
• La ricerca di un deposito definitivo si sta intensificando e ampliando.
• Le reti elettriche devono essere ampliate rapidamente per trasportare l'energia eolica dal nord della Germania al sud, ad esempio. Verranno utilizzati anche cavi sotterranei più costosi.
• I parchi eolici offshore, l'energia idroelettrica e l'energia geotermica saranno maggiormente sovvenzionati, mentre saranno ridotti i sussidi per gli impianti solari e le turbine eoliche onshore. Allo stesso tempo, le turbine eoliche più vecchie saranno sostituite da nuove turbine più potenti.
• Oltre alle nuove centrali a carbone e a gas già in costruzione, è prevista l'aggiunta di altri 10 gigawatt di capacità di centrali a combustibile fossile. Tuttavia, queste centrali dovranno essere il più possibile efficienti e flessibili. Tuttavia, gli obiettivi nazionali di riduzione delle emissioni di CO2 devono essere mantenuti.
• I finanziamenti per la ristrutturazione degli edifici ad alta efficienza energetica saranno inizialmente aumentati a 1,5 miliardi di euro all'anno per il periodo 2012-2014. Inoltre, le misure di riduzione del consumo energetico saranno più facilmente deducibili dalle tasse. In questo modo, il governo mira a garantire che il 2% del patrimonio edilizio venga rinnovato ogni anno per risparmiare energia e ridurre le emissioni di CO2.

Fonte: AFP, WELT ONLINE, WIKIPEDIA

Che cosa significa per noi?

Con effetto immediato, faremo a meno di sette delle ultime 17 centrali nucleari, ovvero 41%, che secondo l'Associazione tedesca delle industrie dell'energia e dell'acqua (BDEW) rappresentavano ancora 23% della produzione lorda di elettricità nel 2009. Ciò significa che ora ci mancano ben 9% della nostra capacità di produzione di energia elettrica, che ovviamente possiamo ancora coprire senza problemi con le riserve esistenti. Poiché al momento non sono disponibili ulteriori capacità eoliche, idroelettriche, di rifiuti o fotovoltaiche, questa lacuna dovrà probabilmente essere coperta dai combustibili fossili (2009: 57% di produzione di elettricità) o dalla biomassa (2009: 4% di produzione di elettricità). Va notato che le capacità di riserva delle centrali elettriche possono essere utilizzate solo attraverso un maggiore uso di combustibili! Alla luce della distribuzione, si può ipotizzare che attualmente oltre 90% della capacità nucleare spenta sia coperta dall'uso aggiuntivo di combustibili fossili. Se in futuro si vuole espandere la capacità delle centrali elettriche a combustibili fossili nel modo più "efficiente e flessibile" possibile, ciò può solo significare che deve aumentare soprattutto la quota di gas naturale (2009: 13% della produzione di elettricità), poiché le turbine a gas sono estremamente flessibili e altamente efficienti in combinazione con le turbine a vapore a valle. Inoltre, il gas è il combustibile fossile con le minori emissioni di CO2. Allo stesso tempo, è anche la fonte energetica più importante per il riscaldamento degli edifici in Germania, soprattutto per le abitazioni private.

Conclusione: non solo il riscaldamento con le pompe di calore elettriche diventerà più costoso; preparatevi a un aumento generale dei costi di riscaldamento, anche per il gas e il petrolio. Investite nel vostro sistema di riscaldamento quest'estate, in modo da poter beneficiare dei risparmi già dal prossimo anno.

Perché sono necessarie entrambe le cose: carico a due zone e scarico a due zone?

Che ormai si è sparsa la voce...

è che la migliore stratificazione possibile è l'elemento fondamentale per un utilizzo efficiente dei serbatoi tampone. Infatti, solo un accumulatore il più possibile stratificato può assorbire calore quando è già relativamente pieno e rilasciare calore quando è già relativamente vuoto. Il segreto di questo vantaggio sta nel fatto che, con una buona stratificazione, il cilindro è sempre caldo in alto e sempre freddo in basso (immagine, buffer 2-4), mentre il cilindro misto è caldo dall'alto verso il basso (immagine, buffer 1). Il confine tra caldo e freddo deve essere il più brusco possibile. Più il cilindro è pieno, più questo limite è basso (immagine, buffer 3), più è vuoto, più è alto (immagine, buffer 4).

Stati di carica dei serbatoi tampone

In ogni caso, un accumulatore ben stratificato contiene la minor quantità possibile di acqua calda.

Un errore che molti ancora commettono

Molti dei nostri clienti hanno scoperto che, utilizzando i gruppi di scarico a doppia zona rendeMIX 3×2 (per un circuito di riscaldamento) o rendeMIX 3×4 (per due circuiti di riscaldamento), sono stati in grado di migliorare la stratificazione dei loro serbatoi tampone in modo così significativo che l'efficienza complessiva degli impianti solari termici è aumentata notevolmente e gli operatori sono molto soddisfatti. Altri si sono resi conto che anche il gruppo di carico rendeMIX 2×3 a due zone (con boost del flusso di ritorno per una caldaia a legna o un'unità di cogenerazione) porta loro vantaggi tangibili. Tuttavia, solo pochi si sono resi conto che è proprio la combinazione di entrambi i processi, cioè l'uso simultaneo di due zone di carico e due zone di scarico, a spingere il cilindro tampone a prestazioni di assoluto rilievo. Rinunciare a uno dei due processi solo perché si utilizza l'altro significa semplicemente accontentarsi di un risultato nettamente inferiore.

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Perché la combinazione di entrambi i metodi ha così tanto successo?

Entrambi i metodi si concentrano principalmente sul punto debole di ogni bollitore, l'acqua calda a media temperatura. Purtroppo, questo punto è sempre creato dalle inevitabili turbolenze del bollitore, che non possono mai essere completamente evitate, anche con i sistemi interni più sofisticati. Tuttavia, l'uso sistematico e prioritario di quest'acqua calda e miscelata consente di "riordinare dinamicamente" il bollitore. Ciò significa che la stratificazione viene migliorata mentre il calore viene trasportato attraverso il bollitore. L'ipotesi che il bollitore tampone venga prima caricato dalla fonte di calore e solo successivamente scaricato dalle utenze non è realistica. In realtà, i due processi avvengono sempre più o meno contemporaneamente.

Esempio 1

Se una caldaia a legna da 20 kW alimenta un impianto da 20 kW tramite un tampone, il contenuto termico del bollitore rimane costante. Tuttavia, il caricamento e lo scaricamento simultaneo del bollitore con il metodo a due zone comporta l'eliminazione di tutta l'acqua calda miscelata e la completa ricostruzione della stratificazione del bollitore.

Esempio 2

Se il consumo di energia supera i 20 kW, l'accumulatore tampone si svuota lentamente ma inesorabilmente, poiché l'energia mancante viene prelevata dalla sua alimentazione termica.

Esempio 3

Se il consumo di energia scende al di sotto dei 20 kW, il bollitore tampone si riempie lentamente ma inesorabilmente, poiché l'energia in eccesso viene aggiunta alla sua riserva di calore.

Suggerimento: sentirsi bene è già metà dell'opera.

Qual è la qualità di un circuito di controllo?

Sensore su CHP

Un controllore confronta costantemente un valore nominale specificato con un valore effettivo misurato e determina una reazione (variabile manipolata) in base alla differenza (deviazione), con l'obiettivo di ridurre il più possibile la deviazione tra i valori nominali e effettivi. Se, ad esempio, per un'unità di cogenerazione è richiesta una temperatura di ritorno costante di 60°C, questo è il valore impostato, mentre il valore effettivo è determinato da un sensore di temperatura. Una possibile reazione potrebbe essere un segnale a tre punti che apre, arresta o chiude una valvola miscelatrice tramite un azionamento elettrico in modo da aumentare, mantenere o abbassare la temperatura di ritorno.

Controllare il comportamento attraverso i sensori

La qualità dell'anello di controllo è intesa principalmente come la precisione e la velocità con cui il controllore avvicina il valore effettivo al valore nominale, ad esempio dopo un'improvvisa variazione del valore nominale al tempo T. Idealmente, il valore effettivo supera il target solo una volta e poi si avvicina al valore nominale da questo lato. Se il regolatore è troppo lento, passerà troppo tempo prima che il target venga raggiunto. Se il regolatore è troppo veloce, il target viene superato più volte. Poiché nel nostro esempio anche il servomotore fa parte dell'anello di controllo e quindi ne influenza la qualità, il suo tempo di esecuzione deve essere impostato correttamente sul controllore se questa opzione è disponibile.

Che cos'è un tempo morto?

Grande distanza del sensore dal miscelatore

Il tempo morto del sistema controllato è il periodo di tempo che trascorre prima che l'effetto di una modifica del regolatore venga riconosciuto dal sensore. Se, ad esempio, il sensore del nostro booster di ritorno sopracitato si trova all'ingresso del ritorno dell'unità di cogenerazione, mentre il miscelatore è installato a 5 metri di distanza, il tempo morto è almeno pari al tempo di esecuzione (t) necessario all'acqua per percorrere la distanza (s) alla velocità (v) dal miscelatore al sensore.

t = s / v

v = Q / A = Q / ¼πDN²

Per un'unità di cogenerazione con una potenza termica di 12,5 kW, che fornisce 80°C in mandata e riceve 60°C in ritorno, il delta T è 20K e la portata (Q) è quindi 0,54 m³/h. Ne risultano le seguenti velocità di flusso (v) per le seguenti larghezze nominali e i seguenti tempi di funzionamento (t) per una sezione di 5 m, ad esempio:

DN [mm]		v [m/s]	t [s]
15	½“	0,84	5,9
20	¾"	0,47	10,6
25	1″	0,30	16,5
32	1¼"	0,19	27,0

Da ciò si evince che una dimensione nominale notevolmente sovradimensionata comporta un aumento significativo del tempo morto. E questo ostacola certamente un'elevata qualità del controllore.

Perché è così importante una corretta installazione del sensore?

È inoltre evidente che la distanza tra il sensore e il miscelatore deve essere la più piccola possibile per non aumentare inutilmente il tempo morto. La posizione di montaggio del sensore è quindi il primo parametro da tenere in considerazione.

Breve distanza del sensore dal miscelatore

Tuttavia, anche il trasferimento di calore dall'acqua di riscaldamento al sensore rappresenta un ostacolo con rilevanza temporale: migliore è il trasferimento di calore, più veloce è la reazione del sensore. I sensori a contatto, montati all'esterno del tubo in cui scorre l'acqua di riscaldamento da misurare, sono particolarmente comuni. In questo caso entrano in gioco tre fattori principali:

Superficie di contatto
La superficie di contatto deve essere la più ampia possibile. Ad esempio, se un sensore è posizionato longitudinalmente su un tubo corrugato, sono disponibili solo alcuni piccoli punti per il trasferimento di calore.

Con un tubo liscio, il contatto tra il sensore e il tubo consiste ancora in una linea. Solo utilizzando una pasta termoconduttiva o un altro ponte termico, la linea diventa la superficie di contatto necessaria a garantire un rapido trasferimento del calore.

Sensore senza pasta termoconduttiva e sensore con pasta termoconduttiva

Conduttività termica dei materiali di transizione

I metalli sono i migliori conduttori di calore rispetto alla plastica, agli ossidi (ruggine) o ad altre impurità. Pertanto, prima di installare il sensore, il tubo deve essere in metallo e deve essere accuratamente pulito.

Pressione di contatto

La tensione della pressione di contatto deve rimanere permanentemente elastica, il che deve essere tenuto in considerazione quando si sceglie la cinghia di tensionamento. A questo proposito, un filo elastico a spirale è sicuramente migliore di una fascetta e una fascetta è sicuramente migliore di un nastro adesivo.

Pressione di contatto dovuta alla cinghia di tensionamento

In ogni caso, sono necessarie la competenza e l'attenzione dell'installatore per evitare errori inutili in questo punto, che nel peggiore dei casi possono peggiorare la qualità del circuito di controllo a tal punto da provocare fluttuazioni permanenti della temperatura nel ritorno dell'unità di cogenerazione.

Lo scarso trasferimento di calore comporta un tempo morto più lungo