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Unindustria Bologna, 1 Luglio 2009

L’EFFICIENZA ENERGETICA IN AMBITO INDUSTRIALE: UNA SCELTA IMPRENDITORIALE

Prof. Ing. Cesare Saccani

DIEM - Università degli Studi di Bologna

UN’AZIENDA CON MENO INFORTUNI,MENO INQUINAMENTO, PIU’ RISPARMIO ENERGETICO

SOSTENIBILITA' E BUSINESS

“L’efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale” - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 2

AGENDAL’efficienza energetica

Impianti per la cogenerazione di energia

La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili

Processi industriali termici

Combustibili

Un esempio


L’efficienza energetica

Per arrivare ad un uso razionale dell’energia si rende necessaria una

conoscenza approfondita dei processi industriali (u tente) e degli impianti di

produzione dell’energia (fornitore).

L’efficienza energetica del processo industriale ne l suo complesso è un

elemento strategico imprescindibile in un Paese come il nostro

energeticamente dipendente da combustibili fossili provenienti dall’estero.

E’ necessario analizzare i processi industriali nell ’ottica di realizzare

quell’integrazione necessaria alla massimizzazione dell’efficienza ene rgetica,

avendo chiare le opportunità e i limiti del mercato energetico.






Combustibili

Un esempio


LT: il Limite Termico è il rapporto tra l’energia term ica utile annualmente prodotta Et e l’effetto utile complessivamente generato su base annua dalla sezione di produzione combinata di energie elettrica e calore, pari alla somma dell’ energia elettrica netta e dell’energia termica utile prodot te. Tale valore deve essere maggioredi 0,15.

IRE: l’Indice di Risparmio di Energia è stato imposto a sostegno di un utilizzo sempre più efficiente di energia prodotta in modo co generativo. Tale valore deve essere maggiore di 0,1 per potere definire l’impian to cogenerativo ai fini normativi.

Per verificare se un impianto sia o no cogenerativo è necessario calcolare l’indice di risparmio di energia IRE e il limite termico LT sec ondo le modalità imposte dal decreto legislativo del 16 marzo 1999.

E tL T

E e E t=

+

LT = limite termicoEt= energia termicaEe= energia elettrica


indts

ind

civts

civ

es

EtEt

p

EeEc

IRE

,,

1

ηηη++

×

−=Ec = energia combustibile (cogenerazione)Ee= energia elettrica (impianti separati)Etciv = energia termica uso civile (impianti separati)Etind = energia termica uso industriale (impianti separati )ηes= rendimento elettrico medio annuoηts= rendimento termico medio annuop = coefficiente di minori perdite


Il campo di impiego della cogenerazione può in teor ia variare da potenze di

qualche decina di kW fino alle centinaia di MW.

Le fondamentali tipologie cogenerative sono:

- turbine a vapore,

- turbine a gas,

- motori a combustione interna.

L’energia termica prodotta può essere impiegata per produrre:

- acqua calda , che viene utilizzata in impianti di riscaldament o,

- vapore saturo , che viene utilizzato per processi tecnologici in dustriali,

- vapore surriscaldato , che viene utilizzato per impianti di potenza.



I motori a combustione interna rappresentano una soluzione di largo impiego per le basse potenze ( ≈ 0,1÷10 MW di potenza elettrica).

Dal circuito di raffreddamento motore, dove si ragg iungono temperature pari a 85÷90°C , è possibile recuperare una quota di energia pari a l 22%.

Dai gas di scarico, che raggiungono temperature par i a 400÷500 °C , si può recuperare una quota di energia pari al 24%.

La produzione di energia elettrica rappresenta all’ incirca il 35% dell’energia immessa


24 % Et (450°C)

22 % Et (85°C)

35 % Ee

100% combustibile

19 % Perdite


I turbogas rappresentano una soluzione di largo impiego per l e elevate potenze (in un range compreso tra 1 e 250 MW di potenza elett rica).

Dai gas di scarico, che raggiungono temperature int orno a 400÷500 °C , si può recuperare una quota di energia pari al 55-60%.

La produzione di energia elettrica rappresenta all’ incirca il 25% dell’energia immessa


60 % Et (450°C)

25 % Ee

100% combustibile

15 % Perdite






Combustibili

Un esempio


I cicli organici (ORC – Organic Rankine Cycle) permett ono la generazione di elettricitàsfruttando come mezzo per lo scambio termico olio d iatermico a temperature relativamente basse (T ≅≅≅≅ 300°C).I turbogeneratori hanno potenze comprese tra 250 k We ÷÷÷÷ 2 MWe.

Il calore di condensazione è recuperato ed usato per produrre acqua calda a 80 ÷÷÷÷90 °C.Tali macchine trovano un’ottima applicazione nelle centrali di cogenerazione a biomassa.


Vantaggi Svantaggi

Bassa manutenzione Alti costi di investimento

Elevata affidabilità Caldaia con circuito ad olio diatermico

Assenza di vapore: semplificazione tecnologica Smaltimento olio diatermico esausto

Rendimento elettrico costante a carichi parziali Rendimenti elettrici limitati






Combustibili

Un esempio


Processi industriali termiciProcessi termici a bassa entalpia :

-Trattamento di rinvenimento (450-600°C): acciai da costruzione

-Trattamento di rinvenimento (400-460°C): acciai per molle

-Trattamento di invecchiamento martensitico (450-500 °C): acciai con Ti, Nb, Al, Mo

-Trattamenti di ricottura (350°C): leghe di Al inc rudite

-Distensione (230°C): alluminio

-Trattamento di invecchiamento artificiale (150-200° C): leghe di Al

Processi termochimici a bassa entalpia:

- Nitrurazione (500°C): con corrente di ammoniaca gas sosa

- Calorizzazione di alluminatura (450°C): ricottura in tamburo rotante di reazione

- Sherardizzazione (370-400°C): ricottura con polvere di zinco

- Borizzazione (550°C): in gas o bagni di sali


Processi industriali termiciGruppi frigoriferi ad assorbimento:

- Ammoniaca: temperatura acqua calda al generatore 15 0-160°C

- Bromuro di litio: temperatura acqua al generatore 85-100°C

Steam reforming del metano:

- Con membrana metallica (lega Pd/Ag): produzione di idrogeno da metano a 450-550°C

REFORMING

MEMBRANACH4

H2O CALORE+

H2

CO2

450-550°C

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 (reazione complessiva)

16 kg x 49.000 kJ/kg = 784 MJ

8 kg x 120.000 kJ/kg = 960 MJPOTERE

CALORIFICO+22%






Combustibili

Un esempio


Combustibili

I combustibili derivanti da fonti rinnovabili impie gabili in impianti di cogenerazione

possono essere riassunti in:

- biomassa di tipo ligneo-cellulosico (caldaia con ci clo OCR)

- oli vegetali (motore a combustione interna)

- biodiesel (motore a combustione interna)

- reflui zootecnici (previa gassificazione, utilizzo del syngas in turbina o MCI)

- idrogeno (da steam reforming di metano o syngas, uti lizzo in turbina o MCI)

Inseriamo nella lista anche gli oli esausti, per i quali il recupero energetico

rappresenta ancora un settore poco sfruttato (37.00 0 tonn bruciate nel 2007 in Italia,

circa il 17% del totale raccolto, fonte Consorzio O bbligatorio Oli Usati).






Combustibili

Un esempio


Un esempio

Esempio di impianto di cogenerazione con biomassa d i matrice ligneo-cellulosica

(Austria 2004)

- caldaia (a griglia fissa o mobile) con scambiatore di calore per olio diatermico (a

250-300°C) e turbogeneratore ORC

- potenza termica: 5 MWt

- potenza elettrica: 1 MWe

- consumo biomassa: 20.000 ton/anno (mix corteccia-s egatura)

Costo d’impianto: circa 4 milioni di €

Produzione annua biomassa (SRF, Short Rotation Fore stry, di pioppo): 17 ton/ha

anno

(Fonte: Rinnovabili e Ambiente, 2008)

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