Nuove opportunità di efficientamento energetico in ambito navale

I combustibili fossili – petrolio, gas naturale e carbone – rappresentano ancora ad oggi la principale sorgente di energia primaria, rappresentando da soli circa l’81% del fabbisogno mondiale. Tra le suddette fonti energetiche convenzionali la più impiegata risulta essere il petrolio che copre circa il 31% del totale. I combustibili fossili, ed in particolare il petrolio, costituiscono anche la principale causa di inquinamento atmosferico generando, attraverso la loro combustione, sostanze clima-alteranti tra cui l’anidride carbonica (CO2), principale responsabile dell’effetto serra.

In tale contesto, le politiche energetiche, sia a carattere nazionale che internazionale, dedicano una sempre crescente attenzione verso soluzioni riguardanti l’ottimizzazione dei sistemi energetici, la massimizzazione della loro efficienza, il risparmio di energia primaria e la minimizzazione del calore di scarto.

Questi concetti, sebbene largamente diffusi ed implementati nel settore industriale e/o in quello residenziale, risultano ancora scarsamente applicati al settore dei trasporti ed, in particolare, ancora agli albori in quello navale. Solo recentemente l’International Maritime Organization (IMO), l’organismo delle Nazioni Unite che regola le attività di trasporto marittimo, ha fissato degli obiettivi vincolanti finalizzati alla riduzione delle emissioni nocive causate dal trasporto marittimo quali, ad esempio, la costruzione, a partire dal 2025, di navi che siano almeno del 30% più efficienti rispetto a quelle costruite negli anni 2000, per quanto riguarda le emissioni di CO2.

Nel contesto residenziale, una tecnologia ormai consolidata e diffusa di ottimizzazione energetica e, contemporaneamente, di minimizzazione del calore disperso è rappresentata dall’accumulo termico. Attraverso l’accumulo è infatti possibile svincolare la produzione di calore dalle richieste dell’utenza immagazzinando calore, altrimenti disperso, all’interno di un serbatoio, per poi renderlo disponibile quando richiesto. L’implementazione di questa semplice soluzione (e/o di altre più complesse) anche nel settore navale, consentirebbe dunque il raggiungimento di benefici sia in termini energetici (attraverso un uso ottimale delle risorse), che economici (riduzione dei consumi di combustibile) ed infine, ambientali (attraverso una riduzione dei gas ad effetto serra). Nuovi argomenti di ricerca ed intervento si aprono quindi nel settore marittimo.

In questo contesto, il gruppo di Sistemi Energetici dell’Università di Bologna sta sviluppando, in collaborazione con la Chalmers University of Technology di Göteborg, Svezia, soluzioni e strategie di ottimizzazione di sistemi navali. Come esempio degli studi effettuati si riporta il caso di una nave da crociera di media stazza (per il trasporto di circa 1800 passeggeri) operante nel Mar Baltico che compie quotidianamente la stessa rotta tra il porto di Stoccolma (Svezia) e quello di Mariehamn (Finlandia). La nave, così come mostrato in Figura 1, è caratterizzata da un particolare assetto: quattro (MP da #01 a #04, ciascuno di potenzialità pari a 5850 kW) sono dedicati alla propulsione direttamente connessi alle eliche; gli altri quattro motori (MP da #05 a #08, ciascuno di potenzialità pari a 2760 kW) sono dedicati invece alla produzione di energia elettrica per l’illuminazione, forza elettromotrice, condizionamento, ecc.. Tutti i motori inoltre, attraverso il recupero dei gas di scarico, partecipano, assieme alle di caldaie ausiliarie alimentate a gasolio, al soddisfacimento della richiesta termica delle utenze (riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria).

Figura 1: Configurazione attuale dei sistemi di produzione all’interno della nave

Attualmente l’imbarcazione, durante i periodi di sosta in porto per la salita e la discesa dei passeggeri, viene gestita lasciando accesi, seppur al minimo tecnico, i quattro motori ausiliari (MP da #05 a #08 in Figura 1). In tali periodi la richiesta termica da parte delle utenze risulta relativamente bassa per cui, il calore in eccesso, viene disperso in ambiente. L’obiettivo dello studio condotto è stato quindi quello di considerare l’implementazione e l’ottimizzazione di un sistema di accumulo termico, mediante un serbatoio di stoccaggio ad acqua calda, in grado di recuperare il calore altrimenti disperso. A tal fine è stata condotta un’analisi parametrica al variare delle dimensioni del serbatoio (volume di accumulo) che individuasse la taglia ottimale ovvero il miglior compromesso energetico (relativo alle prestazioni complessive del sistema considerato) e, contemporaneamente, economico (legato ai costi di installazione e di funzionamento). Nel dettaglio, l’ottimizzazione è stata condotta mediante l’ utilizzo di un software di calcolo dedicato, sviluppato dall’Università di Bologna, basato sull’impiego di algoritmi genetici. Tale software è in grado di simulare il funzionamento di una configurazione complessa composta da un numero arbitrario di sistemi energetici (tra cui motori, caldaie, dispositivi di accumulo, ecc.) massimizzando l’efficienza di conversione, minimizzando l’utilizzo di combustibile introdotto ed ottimizzando la distribuzione del carico dei motori primi considerati. Tale obiettivo è perseguito attraverso la minimizzazione di una funzione obiettivo che tiene conto sia dei costo di esercizio che di manutenzione. Risultato dell’implementazione del software al caso considerato è l’andamento presentato in Figura 2 che mostra, al variare delle dimensioni del volume di accumulo, il costo totale annuo di combustibile sostenuto dall’imbarcazione.

Figura 2: Andamento del costo annuo di combustibile al variare del volume di accumulo del serbatoio

In particolare si osserva come, l’utilizzo di un serbatoio di stoccaggio da 25 m3 permetta, rispetto alla configurazione iniziale, una riduzione annua del costo di combustibile pari al 4%. Dalla figura si nota inoltre come, oltre i 25 m3 , all’aumentare delle dimensioni del serbatoio di accumulo, il risparmio di combustibile conseguibile sia poco significativo, ovvero tale da non giustificare l’aumento dei costi di installazione del serbatoio. Il risparmio di energia primaria conseguibile si traduce inoltre in una riduzione delle emissioni ambientali associate decretando quindi la soluzione, per quanto semplice, vincente sia dal punto di vista energetico che economico che ambientale. Sono attualmente in fase di ricerca da parte del gruppo di Sistemi energetici di Bologna, in collaborazione con la Chalmers University, nell’ambito di applicazioni navali, soluzioni più complesse caratterizzate, da assetti ibridi, anche integrati con generatori a fonte rinnovabile, dall’utilizzo di sistemi di accumulo elettrico, dall’implementazione sistemi di cogenerazione e/o trigenerazione o da opzioni di accumulo termico più complesse (quali, ad esempio, l’utilizzo di materiali che operano attraverso cambiamenti di fase, ecc.).

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