Energia elettrica o metano?

RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 5
Energia elettrica o metano?
Confronto economico tra due diverse fonti energetiche
Articolo pubblicato da Michele Vio su CdA,
marzo 2002
necessario che il sistema elettrico debba risultare
più conveniente nei costi di esercizio.
E’ più conveniente utilizzare il metano o l’energia
elettrica per la climatizzazione dell’aria? E’ una
domanda di difficile risposta, perché le variabili sono
molte: il tipo di impianto, il costo dell’energia
elettrica e del metano, i costi iniziali di investimento,
il tempo massimo di rientro dell’investimento
desiderato.
Tuttavia è quantomeno possibile capire in modo
rapido se sia più economico l’uso del metano o
quello dell’energia elettrica per al climatizzazione
sia estiva che invernale, una volta note le tariffe
elettriche e del metano. L’articolo presenta un
metodo semplice e immediato, valido per diverse
tipologie d’impianto, effettuando un confronto tra:
riscaldamento invernale: caldaie a metano
contro pompe di calore elettriche
condizionamento estivo: gruppi frigoriferi ad
assorbimento a metano contro refrigeratori
elettrici
climatizzazione annuale: pompe di calore a
motore endotermico a gas contro pompe di
calore elettriche
Confronto tra i costi energetici
C’è un criterio semplice, valido per qualunque
valuta, per verificare la convenienza nell’uso tra
energia elettrica è metano. Si calcola il costo
unitario del kWh termico prodotto con una macchina
a metano e con una macchina elettrica. Nel caso
della macchina a metano il costo unitario è pari a:
Confronto tra i costi d’installazione
La differenza di costo d’installazione ∆K tra una
macchina alimentata a metano ed una macchina
elettrica è:
(1) ∆K = M G − M E + AG − ∆AE + I G − I E + EG − EE − CT
dove:
MG
costo della macchina a gas
ME
costo della macchina elettrica
AG
costo per l’allacciamento del metano
∆AE
maggior costo per l’allacciamento elettrico
rispetto a quanto richiesto dall’edificio (55
€/kW installato)
IG
costo dell’impianto collegato alla macchina
a metano
IE
costo dell’impianto collegato alla macchina
elettrica
EG
costo per le opere edili connesse
all’installazione della macchina a metano
(ad esempio la centrale termica)
EE
costo per le opere edili connesse
all’installazione della macchina elettrica
CT
costo (o maggior costo se già richiesta dai
carichi elettrici di edificio) dell’eventuale
cabina di trasformazione per l’installazione
della macchina elettrica (solo negli impianti
in media tensione)
Se ∆K è positivo di è necessario avere un
risparmio dei costi annui di esercizio del sistema
alimentato a metano, per renderlo quantomeno
competitivo. Viceversa, se ∆K è negativo è
RC GROUP
(2)
CU GAS =
Cg
CUC pC
con:
Cg
CUC
3
costo del metano in €/m
coefficiente di utilizzo del combustibile
espresso come rapporto tra la potenza resa
e la potenza bruciata. Nel caso di caldaia
questo corrisponde al rendimento; nel caso
di assorbitori o di gruppi frigoriferi a motore
endotermico, corrisponde al COP espresso
sul gas
pC
potere calorifico inferiore del combustibile
per unità di volume alle condizioni standard
Il costo unitario dell’energia termica prodotta con
l’energia elettrica attraverso un gruppo frigorifero è
pari a:
(3)
CU EE =
Ce
COP
con:
Ce
COP
costo unitario dell’energia elettrica in €/kWh
efficienza (estiva o invernale) del gruppo
frigorifero
Eguagliando i due costi unitari si ottiene la curva
d’indifferenza economica tra i due sistemi di figura
1, valida per qualunque valuta, purché nella formula
3
si introducano i costi del metano per m ed il costo
dell’energia elettrica per kWh:
(4)
Cg
Ce
=
CUC pC
COP
La curva d’indifferenza economica separa due
aree distinte, quella rossa all’interno della quale è
vantaggioso l’uso della macchina a metano e quella
azzurra all’interno della quale è vantaggioso l’uso
della macchina elettrica. Le curve all’interno di
queste aree rappresentano i punti di uguale
risparmio energetico di una soluzione rispetto l’altra.
Dato il CUC della macchina a metano, per ogni
valore del rapporto Cg/Ce si può calcolare il valore
del COP della macchina elettrica per ottenere il
pareggio economico, risolvendo la (4) secondo la:
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Confronto economico tra due diverse fonti energetiche
COPPAR =
(5)
CUC p c
Cg
Ce
10
9
8
7
Cg/Ce
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
5
6
7
COP/CUC
Convenienza gas
Convenienza energia elettrica
Risparmio gas 20%
Risparmio EE 20%
Risparmio gas 40%
Risparmio EE 40%
Risparmio gas 60%
Risparmio EE 60%
Risparmio gas 80%
Risparmio EE 80%
Cg/Ce pareggio
Figura 1: curva d’indifferenza di separazione delle
aree di convenienza economica tra la
produzione termica con metano e con
energia elettrica, in funzione del rapporto
di costo Cg/Ce e del rapporto tra COP
della macchina elettrica e CUC della
macchina a gas
Dai valori del COP di pareggio si può ricavare
anche il risparmio percentuale della macchina
elettrica rispetto ad una a metano, utilizzando la
relazione:
(6)
dove:
Risp
COPPAR
 COPPAR 
100
Risp = 1 −


COP
eff 

è il valore del risparmio in percentuale
è il valore del COP di pareggio calcolato
secondo la (4)
COPeff
è il valore del COP effettivo di lavoro della
macchina elettrica
Valori negativi di risparmio testimoniano un
vantaggio nell’utilizzo della macchina a metano.
Il diagramma è di utilizzo immediato, una volta
che si abbiano a disposizione i costi Cg del metano,
in €/m3, e i costi dell’energia Ce elettrica in €/kWh.
Come si vede, gli euro si elidono, per cui il
diagramma va bene per qualsiasi valuta ed ha
pertanto un valore assoluto.
RC GROUP
Costi del metano e dell’energia elettrica
Il problema è quali costi mettere nella formula. In
Italia, il costo del metano è diverso da città a città
ed inoltre è parzialmente defiscalizzato nel caso di
industria, alberghi, ospizi e ristoranti.
3
Il costo, al netto di Iva, varia tra 0,5 e 0,65 €/m ,
per le utenze non defiscalizzabili, valori comprensivi
delle tasse sia erariali che regionali. Il costo per
l’industria e gli alberghi scende parecchio ed in
modo differenziato, giacché la tassa erariale varia
tra Nord e Sud e la tassa regionale cambia da
regione a regione, con esenzione totale per le
regioni a statuto speciale. Per queste utenze il costo
3
varia tra 0,23 e 0,41 €/m .
Il costo dell’energia elettrica è uguale su tutto il
territorio nazionale, ma ha valori differenti in
funzione:
tensione di alimentazione (Bassa Tensione o
Media Tensione)
tipo di tariffa prescelta
quantità totale di energia elettrica consumata
La tabella 1 riporta, per le 7 tariffe attualmente in
vigore, 4 per alimentazione in bassa tensione e 3
per alimentazione in alta tensione:
a) la denominazione della tariffa e le eventuali
differenziazioni in funzione della stagione o
dell’ora
b) le fasce di potenza di applicazione della tariffa
c) il costo medio T in €/kWh, comprensivo di
tasse, al netto dell’IVA, al netto del costo fisso
per l’impegno di potenza.
d) il costo medio Pm in €/kWh sempre
comprensivo di tasse e al netto d’IVA, ma
comprensivo questa volta della quota fissa per
l’impegno di potenza (da notare come, con le
nuove tariffe, il costo fisso per l’impegno di
potenza influisca in modo molto minore che in
precedenza)
e) per le varie tipologie di macchine sulle quale si
vuole effettuare il confronto (assorbitori a
metano, pompe di calore elettriche e pompe di
calore a motore endotermico) quale tra i due
costi T e Pm si deve adottare ai fini del calcolo.
Con le nuove tariffe, inoltre, è abbastanza
indifferente il passaggio da fornitura in bassa
tensione a quella in media tensione. Per questi
motivi, è possibile effettuare un confronto solamente
sul costo degli impianti di climatizzazione, perché
l’uso o meno dell’energia elettrica cambia di poco il
costo dell’energia elettrica utilizzata dall’edificio.
Con le vecchie tariffe, invece, vi erano delle
differenze sensibili \1\.
Per maggiori informazioni sulle tariffe, si rimanda
al lavoro citato in bibliografia \2\.
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Confronto economico tra due diverse fonti energetiche
TABELLA 1
Fascia di
potenza
Bassa tensione
1
< 16,5 kW
BT - B1
2
> 16,5 kW
BT - B2
3
BT - SB1
inverno
estate
4
BT - SB2 ore piene inverno
ore piene estate
ore vuote
< 30 kW
> 30 kW
Valore da considerare nel
calcolo
PdC a
Assorb. Caldaie
motore
T
Pm
€/kWh
€/kWh
0,10
0,13
Pm
T
Pm
0,11
0,12
Pm
T
Pm
0,12
0,09
0,15
0,12
0,09
0,13
0,10
0,16
0,13
0,09
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
T
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
0,10
0,11
Pm
T
Pm
0,12
0,09
0,18
0,12
0,09
0,07
0,14
0,11
0,22
0,13
0,10
0,08
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Pm
Media Tensione
5
> 100 kW
< 500 kW
MT - B1
6
MT - speciale
estate
7
MT - B2
inverno
fascia F1
fascia F2
fascia F3
fascia F4
< 100 kW
> 500 kW
Confronto tra Caldaie a metano e Pompe di
calore elettriche
Nel calcolo della differenza di costo tra impianto
con caldaia a metano e pompa di calore elettrica si
deve considerare quanto segue:
1) Se la temperatura nella località d’installazione
ha un minimo inferiore a –5°C, è buona norma
installare sempre una o più caldaie per una
potenza pari alla massima. Pertanto, nella
formula (1), differenza di costo d’insallazione tra
i due sistemi, KGAS e le altre voci relative alla
macchina a metano della non vanno
considerate, perché presenti in entrambe le
soluzioni. Se invece si vuole installare una
caldaia di integrazione, di potenza inferiore alla
massima, va considerato solo la differenza di
costo ∆KGAS.
2) Come costo ME della pompa di calore nella
formula (1) non va utilizzato l’intero valore, ma
la sola differenza rispetto ad un refrigeratore di
liquido,
comunque
necessario
per
la
climatizzazione estiva
RC GROUP
Pm
T
T
3) Sempre nella formula (1) si deve considerare il
costo CT per la realizzazione della cabina di
trasformazione (o il suo incremento rispetto a
quanto richiesto dall’edificio) solamente se la
pompa di calore fa aumentare la potenza
elettrica installata rispetto ad un refrigeratore di
liquido, comunque necessario.
Generalmente, a meno di rare eccezioni in
località dove è possibile rinunciare completamente
alla caldaia, con tutti i suoi costi annessi, la
differenza di costo ∆K è negativa, quindi
l’installazione della pompa di calore porta ad un
aumento dell’investimento iniziale che deve essere
ammortizzato da un risparmio economico nella
gestione.
Per quanto riguarda il costo unitario dell’energia
elettrica da utilizzare per il calcolo di convenienza
economica, qualora l’utilizzo della pompa di calore
in inverno non aumenti l’impegno di potenza
elettrica rispetto all’estate, si deve usare il valore T,
altrimenti si deve usare il valore Pm, così come
indicato in tabella 1., per ogni tariffa.
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Confronto economico tra due diverse fonti energetiche
Un’analisi economica è mostrata in figura 2 che
riporta i valori del costo di pareggio Ce in €/kWh in
funzione del COP della pompa di calore e del
prezzo del metano (variabile da città a città: ciò
spiega le barre di oscillazione rossa, per le utenze
defiscalizzate, e blu, per le altre utenze). Il costo di
pareggio indica il prezzo unitario che dovrebbe
avere l’energia elettrica perché vi fosse indifferenza
economica (pareggio) rispetto all’uso della caldaia a
metano.
Le righe orizzontali mostrano i prezzi dell’energia
elettrica per le varie tariffe. Quando le curve del
costo del metano si trovano al di sopra della linea
tariffaria, significa che la pompa di calore elettrica è
più conveniente della caldaia.
giorni festivi. Ciò accade qualunque siano il
COP della pompa di calore elettrica ed il costo
del metano.
b) La pompa di calore permette sempre dei
risparmi economici nei casi in cui il metano non
sia defiscalizzato, qualunque sia il valore del
COP e qualunque sia l a tariffa elettrica
applicata. Fa eccezione solamente la fascia F1
della tariffa multioraria MT – B2 (ore dalle 9,30
alle 11,30 e dalle 16,30 alle 18,30 dei gironi
feriali, da lunedì a venerdì dei mesi da ottobre a
marzo), nella quale la pompa di calore elettrica
diventa vantaggiosa solamente a partire da
COP variabili da 2,7 a 3,6, a seconda del
prezzo del metano
Figura 2: costi unitari di pareggio dell’energia
elettrica in funzione del COP della pompa
di calore elettrica e del costo del metano.
Valori superiori alle rette delle tariffe
elettriche indicano un vantaggio per la
pompa di calore
L’osservazione di figura 2 permette, a colpo
d’occhio, una serie di valutazioni molto interessanti:
a) La pompa di calore elettrica è sempre più
economica nelle ore di fascia F4 per la tariffa
multioraria sopra i 500 kW (tariffa MT – B2),
ovverosia le ore notturne dei giorni feriali dalle
21 alle 6, e tutte le ore di sabato, domenica e
RC GROUP
c) Nel caso di metano defiscalizzato, la
convenienza o meno della pompa di calore
dipende molto dal costo del gas, meno dalla
tariffa elettrica di riferimento. A parte la fascia
F1 della tariffa multioraria MT – B2, per la quale
si ottiene un vantaggio solamente a partire da
COP maggiore di 4,5 con contemporaneo costo
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del metano elevato, per tutte le altre tariffe è
estremamente ampio il campo di COP, superati
i quali si ottiene un vantaggio economico
dall’uso della pompa di calore.
Vale la pena di ricordare come i COP medi di
funzionamento ottenibili in Italia sono quasi sempre
prossimi o superiori a 3 in tutte le stagioni \1\.
Pertanto si può concludere che:
1) Quando
non
è
possibile
ottenere
la
defiscalizzazione del metano è sempre
conveniente pensare a impianti a pompa di
calore, in qualunque località italiana, con
qualunque tariffa elettrica
2) Nel caso di utenze con metano defiscalizzato
(Industria, alberghi, ospizi, ristoranti), l’utilizzo di
pompe di calore elettriche deve essere visto di
volta in volta, in funzione del costo del metano.
Sicuramente sono sempre consigliate di notte
nel caso di tariffa multioraria MT – B2.
Confronto tra gruppi ad assorbimento a gas
metano e gruppi frigoriferi elettrici
I gruppi frigoriferi ad assorbimento a fuoco
diretto possono funzionare anche come generatori
di calore in inverno, sostituendo la caldaia. Essi
possono anche essere installati all’aperto e,
pertanto non richiedono di costi edilizi per la
costruzione della centrale termica. Nella formula (1)
del costo d’installazione si devono considerare
questi vantaggi: nel calcolo del ∆K alle voci
corrispondenti la macchina elettrica va anche
considerato il costo della caldaia e della centrale
termica, a meno che non si installi solamente una
pompa di calore.
Comunque sia, generalmente il costo globale
d’installazione della soluzione a metano è superiore
a quello con macchine elettriche. Quindi è
necessario che il costo di funzionamento con gli
assorbitori porti a dei notevoli risparmi economici.
Figura 3: risparmio economico ottenibile con i
chiller elettrici rispetto ad un assorbitore a
singolo effetto (CUC = 0,7) in funzione del
COP e del prezzo del metano. Costo
unitario di riferimento per l’energia
elettrica 0,13 €/kWh
RC GROUP
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Confronto economico tra due diverse fonti energetiche
Esistono due tipi di assorbitori a fuoco diretto: a
singolo o doppio effetto. Nel funzionamento estivo, i
primi hanno un CUC pari a circa 0,7, mentre i
secondi hanno un CUC pari a 1,1. In inverno hanno
entrambi prestazioni energetiche simili alle caldaie
Le figure 3 e 4 mostrano il risparmio percentuale
ottenibile con le macchine elettriche in funzione del
loro COP e del prezzo del metano, nel caso di
tariffa elettrica pari a 13 €/kWh. Questa tariffa, è la
più alta tra quelle praticate in estate (cfr. tabella 1).
Le figure si commentano da sole. Con gli
assorbitori a singolo effetto, le macchine elettriche
sono sempre convenienti, anche con metano
defiscalizzato a basso costo. Infatti, il COP medio
stagionale di una macchina elettrica è sempre
superiore a 3, come mostra chiaramente il testo
citato in bibliografia \3\, e può tranquillamente
arrivare a sfiorare il valore di 5, per le macchine di
grande potenza molto frazionate.
Con gli assorbitori a doppio effetto si può avere
una buona convenienza economica, a patto che il
metano sia defiscalizzato ed a basso costo. Con
metano a tassazione intera, non vi è alcuna
possibilità di risparmio. Per poterli utilizzare,
bisognerebbe che il costo iniziale di installazione
fosse inferiore a quello per la soluzione elettrica.
Questa conclusione così categorica spiace molto
a chi scrive, che ha sempre creduto nella
potenzialità di queste macchine, ma le tariffe attuali
non lasciano margine operativo. O le società
distributrici del metano cambiano politica, oppure, ai
costi attuali, non v’è alcuna speranza per lo sviluppo
degli assorbitori a fuoco diretto in Italia.
Figura 4: risparmio economico ottenibile con i
chiller elettrici rispetto ad un assorbitore a
doppio effetto (CUC = 1,1) in funzione del
COP e del prezzo del metano. Costo
unitario di riferimento per l’energia
elettrica 0,13 €/kWh
RC GROUP
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Confronto tra pompa di calore a motore
endotermico e pompa di calore elettrica
Le pompe di calore a motore endotermico sono
del tutto simili a quelle elettriche, con la sola
differenza del motore che muove il compressore.
Per cui, da un lato hanno gli stessi limiti di
funzionamento e dall’altro il loro CUC è
strettamente legato al COP del circuito frigorifero,
secondo le:
CUC = COPη M
(7) Cicloestivo
Cicloinvernale
dove:
ηM
CUC = COP ηM + η RT
è il rendimento meccanico del motore
(generalmente per queste macchine si
attesta attorno al 28% \4\)
ηM
è il rendimento del recupero termico dal
motore del motore (generalmente per
queste macchine si attesta attorno al 50%
\4\)
In ciclo estivo il CUC varia tra 0,84, quando il
COP è 3, e 1,4, quando il COP è 5. In ciclo
invernale il CUC varia tra 1,06, quando il COP è 2 e
1,9, quando il COP è 5. Quindi il rapporto tra COP e
CUC rimane fisso nel regime estivo e varia nel
regime invernale.
La figura 5 mostra i costi unitari di pareggio
dell’energia elettrica in funzione del COP della
pompa di calore e del prezzo del metano. Nel ciclo
estivo la figura mostra solo la variazione in funzione
del prezzo del metano, in quanto il rapporto tra COP
e CUC è costante.
Le conclusioni sono immediate:
1) In ciclo invernale la pompa di calore a motore
endotermico è sempre favorita nel caso di
metano defiscalizzato, qualunque sia il COP e
qualunque sia la tariffa elettrica adottata.
L’unica eccezione riguarda le ore in fascia F4
della tariffa multioraria MT – B2.
2) In ciclo invernale, le pompe di calore con
motore endotermico non sono mai favorite, con
nessun COP e nessuna tariffa elettrica, nel
caso il metano non sia defiscalizzato
3) In ciclo estivo le pompe di calore a motore
portano ad un vantaggio economico solamente
con metano defiscalizzato a basso costo
3
(inferiore a 0,26 €/m ). In tutti gli altri casi non
sono vantaggiose
Ai costi energetici unitari, per le pompe di calore
a motore si devono aggiungere i costi di
manutenzione, più gravosi di quelle delle pompe di
calore elettriche.
RC GROUP
Per queste macchina vale quanto detto per gli
assorbitori. Nessuno discute sulla loro bontà
energetica, in assoluto la migliore in ciclo invernale.
Le attuali tariffe del metano le rendono, però, poco
appetibili.
Conclusioni
E’ innegabile che l’energia elettrica abbia
attualmente costi nettamente più competitivi del
metano in quasi tutte le applicazioni. Sicuramente
su quest’ultimo pesa un eccessivo carico fiscale,
molto superiore a quello gravante sulla bolletta
elettrica.
Tuttavia,
anche
nel
caso
di
defiscalizzazione, le tariffe in vigore non favoriscono
l’utilizzo di macchine a gas, se non in casi molto
rari.
Ciò senza dubbio dispiace, perché le tecnologie
dell’assorbimento e delle pompe di calore a motore
endotermico meriterebbero ben altra collocazione
nel mercato italiano del condizionamento.
La speranza è che la prossima liberalizzazione
del mercato cambi qualcosa ed il costo del metano
sia reso più competitivo dalla maggior concorrenza.
Bibliografia
\1\ M. Vio: “La riscoperta delle pompe di calore:
moda effimera o giustificata scelta tecnica?”,
parte prima, CdA, n.2/1999, febbraio 1999
\2\ M. Vio: “ Luci e ombre delle nuove tariffe
elettriche per i clienti vincolati” CdA n 11/2001,
novembre 2001
\3\ E. Bacigalupo, C. Vecchio, M. Vio, M. Vizzotto
“L’efficienza media ponderata dei gruppi
frigoriferi a compressione: la proposta AICARR
per un metodo di calcolo”, atti del convegno
AICARR “Condizionamento, ventilazione e
contaminazione ambientale, riscaldamento,
refrigerazione:
innovazioni
e
tendenze”,
sezione Refrigerazione, Milano 22 e 23 marzo
2000, nonché CdA, n8/200, agosto 2000
\4\ M. Vio: “Sistemi Total Energy per la
climatizzazione”, Atti del convegno AiCARR
“Condizionamento,
riscaldamento,
Refrigerazione: innovazioni e tendenze”,
Milano 27 – 28 marzo 1998
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Confronto economico tra due diverse fonti energetiche
Figura 5: costi unitari di pareggio dell’energia
elettrica in funzione del COP della pompa
di calore elettrica e del costo del metano.
Valori superiori alle rette delle tariffe
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