Una pista di pattinaggio con impianto a CO - Istituto Italiano del Rame

Dal mondo HVAC&R
Lo Sveriges Energi & Kylcentrum (SEK) è
un centro ricerche/laboratorio svedese
che si occupa di energia e refrigerazione
per usi civili ed industriali.
Ad esso si sono rivolte le Autorità Locali per limitare
i costi di una pista di pattinaggio su
ghiaccio a Katrineholm, una città situata ad un
centinaio di chilometri da Stoccolma.
Generalmente una pista di ghiaccio consuma
1.000 - 1.500 MWh all’anno, di cui metà va per
il sistema di raffreddamento e il resto in riscal-
LE SUPERIORI PRESTAZIONI DEL RAME
Una pista di pattinaggio
con impianto a CO 2
Un sistema costituito da un circuito tubiero di rame e da un impianto
di refrigerazione a CO 2 per una pista di pattinaggio in Svezia, ha confermato
le capacità del rame di lavorare con le elevate pressioni caratteristiche
di questo fluido, ha permesso importanti risparmi nell’utilizzo
dell’energia, e perciò nei costi di gestione, oltre che un’azione efficace
verso la tutela dell’ambiente
Il riciclo del rame
Il riciclo può essere visto come un’altra forma
di risparmio energetico. Uno dei motivi
che hanno spinto i progettisti svedesi a scegliere
il rame è stata proprio la sua totale riciclabilità,
senza che le sue caratteristiche fisiche
e tecnologiche iniziali subiscano un decadimento.
Infatti, producendo “nuovo” rame da “vecchi”
rottami si ottengono tre risultati contemporaneamente:
si riduce lo sfruttamento
delle miniere, si risparmia fino all’85% di
energia rispetto all’estrazione mineraria di
partenza e non si incrementa il volume dei
rifiuti accumulato nelle discariche o da smaltire.
I paesi tecnologicamente evoluti, tra cui l’Italia,
hanno un tasso di riciclo superiore al
40%: e tale limite è imposto esclusivamente
dalla disponibilità attuale di rottami; è anzi
molto probabile che una parte del rame negli
oggetti di uso quotidiano (tubi, fili, lastre
e oggetti artistici) sia stato estratto anche secoli
fa, lavorato e fuso più volte.
damento e illuminazione.
La scelta compiuta dalla SEK è stata quella di
adottare tubi di rame e CO 2 come fluido refrigerante,
al posto della classica miscela di acqua
e sale -generalmente cloruro di calcioutilizzata
con i tubi di materiale plastico.
La CO 2 , cioè il biossido di carbonio, è stata
scelta per le sue vantaggiose caratteristiche,
che permettono di ridurre del 90% l’energia
da fornire alle pompe. Inoltre il biossido di
carbonio non deve essere prodotto appositamente
essendo un sottoprodotto di altri processi
industriali. Con questo fluido la scelta
del materiale per le tubazioni è ristretta tra rame
e acciaio, gli unici in grado di sopportare
le alte pressioni di esercizio, intorno ai 40 bar.
Storicamente, i vecchi impianti per le piste del
ghiaccio erano in acciaio, ma ora la scelta è
caduta sul tubo di rame, molto più facile da
installare, con giunzioni a brasare a tenuta e la
disponibilità in rotoli di lunghezze elevate.
I vantaggi del rame
Oltre a permettere l’utilizzo della CO 2 , il rame
ha il vantaggio della eccezionale conduttività
termica, che lo rende ideale per i processi di
scambio di calore: questo permette una regolazione
più veloce ed efficace della temperatura
del ghiaccio, il che procura anche una
migliore qualità del ghiaccio stesso. Non ultimo,
il rame è stato scelto anche per la sua
completa riciclabilità, fattore molto importante
una volta che la pista di pattinaggio sarà
smantellata o ricostruita.
I tubi di rame che corrono sotto la pista (dimensioni:
1/2” x 0,85 mm, con una sottile pel-
di Marco Crespi*
IN ALTO. UNA VISTA D’INSIEME DELLA STESURA DEI TUBI DI RAME
SULLA PISTA, PRIMA DI ESSERE COPERTI DA UN FILM DI POLIETILENE
DALLO SPESSORE DI 0,5 MM.
IN BASSO. UNA FASE DELLA POSA IN OPERA DEI TUBI DI RAME
SULLA BASE DI CEMENTO.
licola di plastica) hanno una purezza del
99,90% (tipo Cu-DHP) e sono adatti per usi di
condizionamento e refrigerazione; posseggono
composizione chimica e pulizia interna secondo
la norma EN 12735. Il loro sviluppo
complessivo è di 18 km e sono stati posati
con un passo di 10 cm.
Le caratteristiche della pista
Le dimensioni della pista sono di 30x60 m, ed
è destinata a competizioni di hockey.
Ogni circuito di tubo di rame è lungo 120 metri
(quindi percorre due volte la lunghezza
della pista, tra andata e ritorno).
La pista è realizzata all’interno di un apposito
edificio per lo sport. Prima di costruire la pista
di pattinaggio vera e propria, ne è stata costruita
una pilota di 50 m 2 , dalle dimesnioni di
5 x 10 metri, che ha permesso di verificare i
potenziali risparmi e i costi di gestione, nonché
testare aspetti legati all’impianto, al con-
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trollo delle pompe e alla costruzione della superficie
della pista stessa.
Il comportamento del rame nel cemento
La SEK ha anche valutato il comportamento
del rame nel cemento: dal momento che quest’ultimo
è di natura basica, non sono stati riscontrati
problemi; sebbene ci sia una certa
differenza di espansione termica tra cemento
e tubo, gli stress meccanici rimangono bassi:
nella pratica la pista pilota è stata sottoposta a
cicli oscillanti tra –15°C e + 20°C (condizioni
invernali ed estive), senza che vi fossero segni
di danni tecnici sull’intero sistema.
I vantaggi gestionali
E’ stata calcolata la differenza tra i costi di gestione
annuali di questo nuovo impianto e
quelli di uno tradizionale di pari caratteristiche:
i minori costi dovuti al risparmio nell’utilizzo
dell’energia elettrica per la refrigerazione
sono stati quantificati 20.000 euro, quelli
per il minor utilizzo di riscaldamento (grazie
al recupero di calore) in 13.500 euro, perciò
per un totale di 33.500 euro/anno.
IN ALTO. I COLLETTORI DI MANDATA E RITORNO DELLA CO2 SONO
STATI INSTALLATI SUL LATO CORTO DELLA PISTA, PER RIDURRE LA
LORO LUNGHEZZA E IL NUMERO DI GIUNZIONI NECESSARIE. SONO
STATE ESEGUITE BRASATURE AL RAME-FOSFORO.
IN BASSO. IL TUBO DI RAME È STATO SCELTO NON SOLO
PER LA SUA ECCELLENTE CONDUTTIVITÀ TERMICA, MA ANCHE
PER LA MAGGIORE LAVORABILITÀ RISPETTO ALL'ACCIAIO E LA
DISPONIBILITÀ DI ROTOLI DI LUNGHEZZA ELEVATA.
LE SUPERIORI PRESTAZIONI DEL RAME
Un’analisi nel dettaglio permette di verificare
come si ottengono questi risparmi: i minori
quantitativi di energia elettrica richiesta dalle
pompe di circolazione consentono un risparmio
di circa 100 MWh (che al costo del kWh
in Svezia si traduce in un risparmio di 10.000
€); oltre a questo, grazie all’alta conduttività
termica del rame e alla temperatura della CO 2
nei tubi, si ottiene un ulteriore risparmio di altri
50 MWh. Infine, altri risparmi relativi a questa
struttura specifica (ma non compresi nel
“sistema” tubi di rame +CO 2 ) portano il risparmio
complessivo di energia elettrica fino a
200 MWh su base annua.
Oltre al risparmio di 20.000 € sopra citato, ce
n’è uno ulteriore di 13.500 € dovuto al seguente
accorgimento: il calore generato dal sistema
di refrigerazione è stato usato per riscaldare
l’acqua necessaria per ripristinare la
superficie usurata del ghiaccio, gli spogliatoi
e la protezione anti-gelo sotto la pista ( evitando
così il permafrost e la spaccatura del cemento).
Il tutto permette un risparmio di 400
MWh all’anno altrimenti necessari per il riscaldamento.
La stima economica, che tiene conto anche
degli investimenti extra di circa 170.000 €
(75.000-100.000 € per l’impianto a CO 2 e
70.000 € per il sistema di recupero del calore)
prevede un pay-back in un tempo poco superiore
ai 5 anni. Un valore ben accettabile,
considerando un ciclo di vita compreso tra i
20 e i 40 anni.
Conclusioni
Si possono, in conclusione, riassumere le caratteristiche
di questo nuovo impianto con tubi
di rame:
• Il risparmio elettrico complessivo del “sistema
con tubi di rame e CO 2 “ è di circa 150
MWh all’anno.
• L’energia elettrica non prodotta corrisponde
a circa 11 tonnellate di CO 2 non emesse in
atmosfera.
• Inoltre si evita ogni anno l’emissione di 132
kg di ossido di azoto, 50 di zolfo e 17 di polveri.
• Si risparmiano inoltre 400 MWh all’anno per
il riscaldamento dell’intero sistema
Il progetto di questo impianto è stato premiato
dalla Naturvårdsverket (l’Agenzia della protezione
Ambientale della Svezia - Swedish En-
viromental Protection Agency) con il Guldklimpar
(“la pepita d’oro”), per il suo contributo
al taglio delle emissioni dei gas responsabili
dell’effetto serra.
Si ringraziano per la collaborazione Mariann
Sundberg e Pia Voutilainen (Scandinavian
Copper Development Association), David
Sharp (Outokumpu Copper Products AB), Jorgen
Rogstam (Sveriges Energi & Kylcentrum).
* Istituto Italiano del Rame, Milano
La CO 2 vantaggi e limiti
L’anidride carbonica, anche nota come biossido
di carbonio, è formata da un atomo di
carbonio e due atomi di ossigeno e, in condizioni
di temperatura e pressione normali,
si presenta in forma gassosa. La molecola è
relativamente inerte: non è infiammabile,
dal momento che il suo carbonio non è ulteriormente
ossidabile dall’ossigeno.
E’ un gas incolore, inodore e facilmente reperibile,
dal momento che è presente nell’atmosfera
(intorno alle 380 parti per milione).
La CO 2 era già largamente utilizzata come
fluido frigorigeno prima della seconda
guerra mondiale, quando venne abbandonata
per i CFC e altri gas sintetici. Recentemente,
in base a considerazioni ambientali,
si sta ritornando ai gas “naturali”, grazie alla
loro economicità, non tossicità e non dannosità
per l’ambiente. Quest’ultimo aspetto
può essere sorprendente, dal momento che
negli ultimi anni la CO 2 è associata all’effetto
serra, ma in realtà il suo GWP (Global
Warning Potential, cioè il suo effetto potenziale
sul surriscaldamento globale) è inferiore
a quello di altri gas, come l’ozono, il metano
e altri idrocarburi alogenati usati nella
refrigerazione.
Gli svantaggi sono legati alla bassa temperatura
critica (31°C) rispetto ai refrigeranti
sintetici tradizionali e alle più alte pressioni
di lavoro, ma la tecnologia attuale ha superato
con successo questi due ostacoli, fornendo
macchinari efficienti e sicuri.
I campi di impiego più interessanti per il
biossido di carbonio come refrigerante sono
quelli della refrigerazione industriale e commerciale,
per i condizionatori degli autoveicoli
e pompe di calore per la produzione di
acqua calda sanitaria
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