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Dipartimento Energia

Convegno

Fabbrica FuturoIdee e strumenti per l’impresa manifatturiera di domani

Torino, 10 giugno 2015

Soluzioni per l’efficienza energetica e l’usoottimale delle risorse nei processi industriali

M. Masoero

Dipartimento Energia – Politecnico di Torino


Bilancio energetico nazionale

2


previsione

Usi elettrici finali (Provincia Torino - Industria)

-

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.5001

99

0

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

20

18

20

19

20

20

[GW

h]

-

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

Meccanica Mezzi di Trasporto e collegati Beni e servizi persona/casa

Chimica, Mat.Costruzione, Cartaria INDUSTRIA (totale)

totale (asse )

mezzi di trasportoe settori collegati

meccanica

chimica, cartaria, materiali costruzione

beni e servizi persona/casa

3


previsioneConsumi termici-elettrici

-

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

10.00020

00

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

INDUSTRIA (totale) Energia Termica

energia termica

energia elettrica

Consumi totali industria

Titolo del grafico

y = 6,3078x + 1739,6

R2 = 0,8906

-

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

- 200 400 600 800 1.000 1.200

energia elettrica [GWh]

en

erg

ia t

erm

ica [

GW

h]

Chimica, Mat.Costruzione, Cartaria

Lineare (Chimica, Mat.Costruzione, Cartaria)

chimica, cartaria,

materiali costruzione

totale

4


Consumi totali per settore industriale

5


Consumi per fonte e per settore industriale

6


Settore Industriale: Consumo % di calore

richiesto per livello di temperatura

7


Settore Industriale: Fabbisogno di calore %

per livelli di temperatura e per settore

8


Best Available Techniques Reference Documents BREFs

http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/

9

http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/


Energy Efficiency in industryhttp://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/ENE_Adopte

d_02-2009.pdf

10

http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/ENE_Adopted_02-2009.pdf


Indicatori di efficienza energetica

• Specific Energy Consumption (SEC)

𝑆𝐸𝐶 =𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎

𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜(GJ/ton)

• Energy Intensity Factor (EIF)

𝐸𝐼𝐹 =𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎

𝑓𝑎𝑡𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 𝑑𝑎𝑙𝑙′𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜(GJ/eur)

N.B. 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑡𝑎 − 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑡𝑎

11


Esempio di definizione di SEC

12


Tecniche utilizzabili per l’efficienza energetica a livello di impianto

• ENEMS (Energy Efficency Management System)

• Pianificazione degli obiettivi

• EED (Energy Efficient Design)

• Formazione e valorizzazione delle risorse umane

• Comunicazione

• Controllo di processo

• Manutenzione

• Energy audit e tecniche di analisi energetica

13


Monitoraggio dei consumi: carpet plot

14


Carpet plot di un impianto di condizionamento

15


Energy signature di impianto a pompa di calore aria-aria

16

HP VRF Consumption (2008)

0

500

1'000

1'500

2'000

2'500

3'000

3'500

4'000

4'500

-3 2 7 12 17 22 27 32

°C

kW

h WEEK DAY

WEEKEND DAY


Confronto pompa di calore aria-aria e geotermico

17

Energy signature, consumo specifico giornaliero

y = 11,587x - 209,71

R2 = 0,9063

y = 6,288x - 108,44

R2 = 0,7698

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

15,0 17,0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 29,0 31,0

Ext. Temperature (°C)

Wh/m2

VRF SYSTEM GSHP


Diagramma di Sankey

18


Impatto dell’energia sul costo totale

19


Ambiti applicativi per il risparmio energetico a livello di componente, impianto o processo

• Combustione• Produzione del vapore• Recupero termico e raffreddamento• Cogenerazione• Approvvigionamento di energia elettrica• Sistemi azionati da motori elettrici• Sistemi azionati da aria compressa• Impianti di pompaggio• Impianti di climatizzazione (HVAC)• Illuminazione• Processi di essicazione, separazione e concentrazione

20


Recupero termico nell’industria

• Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo

• Riutilizzo dei cascami temici per:

• Produzione di fluidi caldi tramite scambiatori di calore

• Produzione di fluidi caldi tramite pompa di calore (calore di

recupero = sorgente termica a bassa temperatura)

• Produzione elettrica (impianto ORC)

• Produzione del freddo (macchina ad assorbimento)

• Recupero rigenerativo da aria espulsa o cappe aspiranti per

preriscaldamento dell’aria di ventilazione

21


Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo

• Numerosi processi industriali presentano domanda

contemporanea di calore e freddo.

• Esiste possibilità di scambio termico tra fluidi che devono essere

raffreddati e fluidi che devono essere riscaldati.

• Si trae vantaggio da risorse che derivano dai processi produttivi

riducendo la quantità di risorse esterne.

• Occorre prevedere un impianto di recupero termico costituito da

un numero elevato di scambiatori di calore (rete di scambiatori)

• La verifica della fattibilità tecnica del recupero termico e il

tracciamento della rete di scambiatori di calore possono essere

ottenuti con la pinch analysis.

22


Applicazione della pinch analysis a un processo

metallurgico

Possibilità di ridurre di oltre il 50% il fabbisogno di calore e circa

30% il fabbisogno di freddo.

126,887 kW/K230 C

5 19,89 kW/K

10 0,701 kW/kI

9 0,69 kW/KH3

8 0,522 kW/KH2

7 0,613 kW/KH1

6 0,657 kW/KII

T di Pinch

220 C

220 C

220 C

220 C

220 C

151,739 kW/K

25 C

18 C

18 C

18 C

18 C

18 C

150 C 19,1 C

141,838 kW/K130 C 19,1 C

136,312 kW/K200 C

160,845 kW/K600 C 19,1 C

450 C

450 C

450 C

450 C

450 C

50 C

III

III

152,9 C

132,7 kW

IV

IV

123,8 kW

V

V

105,4 kW

VI

VI

139,4 kW

VII

VII

141,6 kW

C5

VIII

497,3 kW

VIII

C7

C8

19,1 CC1

19,1 CC2

19,1 CC3

19,1 CC4

158,1 C

168,8 C

149 C

19,1 CC6

121,2 C

228 kW

204 kW

644,6 kW

36,6kW

951,3kW

141 kW

120,1kW

158,7 kW

I

II230 C

161,2 kW

151,3 kW

62,4 C0,409 kW/K

0,436 kW/K

23


Applicazione della pinch analysis a pulp and

paper industry

Possibilità di ridurre significativamente il fabbisogno di energia

primaria (21%), anche attraverso l’integrazione di pompe di calore

nel processo industriale.

24


Recupero termico dai fumi di generatori di calore

25

Ingresso

fumi Caldi

Uscita fumi

Raffreddati

Ingresso Acqua

da riscaldare

Uscita Acqua

Riscaldata


Impianti Ciclo Rankine a Fluido Organico (ORC)

Gli impianti ORC sono adatti a produzione elettrica da fonti

di calore:

• a temperatura medio-bassa per le quali non sarebbe

conveniente impiegare i cicli a vapore d’acqua tradizionali

• di limitata entità

• fortemente variabili

Tali impianti possono quindi essere alimentati sia da calore

di recupero da processi industriali, sia da calore prodotto da

fonti rinnvabili (ad es. Biomasse, geotermia a bassa

entalpia, ecc.)

26


Applicazioni ORC a recupero termico

• Recupero da gas caldi tramite fluido intermedio (olio

diatermico, acqua pressurizzata o vapore)

• Recupero da effluenti liquidi: scambio diretto fra sorgente

di calore primaria e fluido di lavoro ORC

• Inserimento del recuperatore in by-pass

• Fluidi di lavoro:

• Polisilossani per T > 250°C

• Fluidi refrigeranti per T < 250°C

27


ORC: Applicazione a un cementificio

Sorgenti termiche disponibili:

• Gas di combustione del forno (a valle del

preriscaldo delle materie prime) con temperature

di 250-400°C

• Aria di raffreddamento del clinker a temperature

più basse (< 300°C)

28


ORC: Applicazione a un forno ad arco

elettrico (Electric Arc Furnace)

29


Produzione del freddo con macchina ad

assorbimento H2O-LiBr

30


Recupero parziale del calore di

condensazione da gruppo frigorifero

Produzione di freddo

(evaporatore)

Calore disperso

(condensatore)Calore recuperato

(desurriscaldatore)

31


Unità di trattamento aria (UTA) con

recuperatore di calore

Recuperatore

aria-aria

Recuperatore

rotativo

Recupero di calore sensibile:• aria-aria• a fluido intermedio

Recuperatore sensibile + latente• rotativo

32


Recupero di calore nella ventilazione:

recupero “attivo” con pompa di calore

Una soluzione più evoluta è il recuperatore “attivo”, basato sulla pompa di

calore aria-aria, in cui l’aria espulsa rappresenta la sorgente termica a bassa

temperatura nel regime di riscaldamento e il pozzo termico ad alta

temperatura nel regime di raffreddamento

33


Energy Efficient Design

• Ottimizzazione di un prodotto industriale (DRL –Daylight Running Light con lampade a LED)

• Ottimizzazione tecnico-economica dei materiali e delle strategie di dissipazione del calore

34


Soluzioni per il circuito stampato (PCB): FR4 (sx) IMS (dx)

35


Ottimizzazione con SW modeFRONTIER®

36


Confronto fra soluzioni

37

Risultati (TJ vs costo) per le due soluzioni di PCB (sx) e relativi fronti di Pareto (dx)Le soluzioni con PCB tipo IMS cadono nella parte alta del grafico, mentre quelle con il PCB tipo FR4 sono nella parte bassa, quindi con costi più bassi


Life-Cycle Analysis / Assessment

• Life-Cycle Analysis (LCA) è una tecnica divalutazione degli impatti ambientali associati atutte le fasi di vita di un prodotto “dalla culla allatomba” (dall’estrazione delle materie prime, allalavorazione, distribuzione, utilizzo, manutenzionee dismissione / riciclo).

• Considera gli impatti nei confronti della saluteumana, della qualità dell'ecosistema edell'impoverimento delle risorse anche sotto ilprofilo economico e sociale

38


Fasi della LCA

1. Goal and Scope Definition

2. Life Cycle Inventory Analysis (LCI)

3. Life Cycle Impact Assessment (LCIA)

4. Interpretation

5. Applicable standards

• ISO 14040 (2006): Environmentalmanagement – Life cycle assessment –Principles and framework

• ISO 14044 (2006): Environmentalmanagement – Life cycle assessment –Requirements and guidelines

39


Caso studio: trasporto refrigerato

• Confronto fra due soluzioni progettuali (ProdottoStandard e Prototipo) riguardante:

– Spessore e materiali isolanti dei pannelli di parete

– Accessori e modalità di assemblaggio delle porte

– Elementi strutturali e costruzione della carrozzeria

40


Valutazione degli impatti

41


Confronto fra le soluzioni progettuali

Rispetto al prodotto Standard, il Prototipo determina una riduzionesignificativa di determinati impatti e una riduzione del danno alla saluteumana, alla qualità dell’ecosistema e alle risorse

42


Grazie per l’attenzione!

[email protected]

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