Efficienza Energetica nei processi industriali Rino Romani rino

Efficienza Energetica nei processi industriali Rino Romani rino. romani@isnova. net

Efficienza Energetica nei processi industriali 4 regole per ottimizzare l’uso dell’energia nei processi industriali 1. Ridurre l’energia necessaria all’esecuzione dei processi ovvero misurare e controllare ciò che sta accadendo e non misurare ciò che è accaduto; 2. Ridurre gli sprechi nei sistemi che distribuiscono i servizi energetici ai singoli impianti; 3. Migliorare l’efficienza dei dispositivi che trasformano l’energia in servizi utili; 4. Recuperare l’energia che attualmente viene persa 2

Efficienza Energetica nei processi industriali 4 regole per ottimizzare l’uso dell’energia nei processi industriali 1. Ridurre l’energia necessaria all’esecuzione dei processi ovvero misurare e controllare ciò che sta accadendo e non misurare ciò che è accaduto) Cosa fare? Utilizzare le migliori tecnologie disponibili 3

BAT’s nella fabbricazione della carta Centrale termica: • Migliorare il rendimento della caldaia • Istallare un impianto di cogenerazione Sezione impasto • Rendere più efficienti gli spappolatori • Rendere più efficienti i raffinatori • Istallare inverter sui motori 4

BAT’s nella fabbricazione della carta Sezione formazione foglio e pressatura: • Utilizzare tele più efficienti nella tavola piana • Migliorare le casse aspiranti e il sistema del vuoto • Utilizzare presse più efficienti • Istallare inverter sui motori Sezione asciugatura • Ottimizzare il sistema vapore-condensa • Recuperare il calore delle fumane della cappa 5

Fabbricazione della carta risparmio relativo all’energia termica 6

Fabbricazione della carta risparmio relativo al recupero di calore 7

Fabbricazione della carta risparmio relativo all’energia elettrica 8

BAT’s nella produzione del Vetro • Ottimizzazione del processo di combustione mediante il controllo dei parametri operativi • Ottimizzazione della progettazione del forno e della scelta della tecnica di fusione • Utilizzo di sistemi per il recupero di calore • Preriscaldo miscele vetrificabili e rottame di vetro • Istallazione di inverter sui motori • Utilizzo di livelli più elevati di rottame di vetro 9

BAT’s nella produzione di Laterizi • Incremento delle dimensioni dei forni per una minore produzione di scarti e riduzione delle perdite di calore • Miglioramento delle chiusure dei forni con l’introduzione di chiusure metalliche e tenute ad acqua o sabbia • Miglioramento dell’isolamento termico dei forni e delle piste dei carrelli con riduzione delle perdite di calore • Impiego di bruciatori ad alta velocità per una maggiore efficienza di combustione ed un migliore scambio termico • Istallazione di motori a controllo elettronico di velocità • Controllo automatico dei regimi di cottura 10

Produzione di Laterizi risparmio di energia termica 11

Produzione di Laterizi risparmio di energia elettrica 12

Produzione di Laterizi recupero di energia termica 13

BAT’s nella produzione delle ceramiche Essiccamento a spruzzo • Macinazione a umido • Innalzamento del tenore in solido della barbottina • Recupero di energia termica dal forno di essiccazione Essiccamento piastrelle formate • Ottimizzazione ricircolazione aria di essiccamento • Recupero aria di raffreddamento dei forni • Essiccatoi orizzontali 14

BAT’s nella produzione delle ceramiche Cottura • • • 15 Impiego d’impasti più fondenti Sfruttamento ottimale della capacità produttiva Riduzione dello spessore delle piastrelle Recupero aria di raffreddamento dei bruciatori Sostituzione di forni Migliorare l’efficienza con interventi sulle variabili di processo

BAT’s nella produzione dell’acciaio Principali cicli produttivi nella produzione dell’acciaio: 1. 2. 3. 4. 16 Produzione coke metallurgico Produzione agglomerato Produzione ghisa Produzione acciaio

BAT’s nella produzione dell’acciaio Produzione coke metallurgico • Adozioni di macchine caricatrici «smokeless» (realizzano una connessione a tenuta tra telescopio mobile e le bocchette del forno da caricare) • Adeguamento dei piani e delle bocchette di carica: materiale refrattario a più alta efficienza; • Adozioni di porte ad elevata tenuta; • Revamping delle murature refrattarie a caldo; • Controlli avanzati 17

BAT’s nella produzione dell’acciaio Produzione agglomerato • Automazione del processo di formazione del cumulo di omogeneizzato (implementazione a plc del controllo di tutte le macchine costituenti l’impianto di omogenizzazione) • Controlli avanzati; • Miglioramento qualità dell’agglomerato (attraverso maggiori controlli è possibile ottenere un materiale sinterizzato più ricco in ferro) • Riduzione consumo di energia termica: recupero del calore sensibile nel raffreddamento dei gas di sinterizzazione; massimizzare il ricircolo dei gas di scarico) 18

BAT’s nella produzione dell’acciaio Produzione acciaio • Motori azionati tramite inverter: riduzione sprechi di energia elettrica nelle varie fasi di lavorazione; • Recupero, pulizia e riutilizzo come combustibile del gas prodotto dal processo di affinazione; • Sistema di carica calda 19

Efficienza Energetica nei processi industriali 4 regole per ottimizzare l’uso dell’energia nei processi industriali 2. Ridurre gli sprechi nei sistemi che distribuiscono i servizi energetici ai singoli impianti; 3. Migliorare l’efficienza dei dispositivi che trasformano l’energia in servizi utili; 4. Recuperare l’energia che attualmente viene persa Cosa fare? Diagnosi energetica 20

Diagnosi energetica Scopo diagnosi energetica è: Il miglioramento dell’efficienza energetica; La riduzione dei costi per gli approvvigionamenti energetici; Il miglioramento della sostenibilità ambientale nella scelta e nell’utilizzo delle fonti; L’eventuale riqualificazione del sistema energetico. 2 1

Obiettivi Razionalizzazione dei flussi energetici; Recupero delle energie disperse; Individuazione di tecnologie per il risparmio di energia; Ottimizzazione di contratti di fornitura energetica; Gestione dei rischi tecnici ed economici; Miglioramento delle modalità di conduzione e manutenzione. 2 2

Priorità Interventi • Interventi costo zero • Interventi basso-medio costo • Interventi alto costo 2 3

Priorità Interventi Lista opportunità di risparmio energetico 2 4

Centrale termica Lista opportunità di risparmio energetico • • 2 5 Controllo della combustione Manutenzione del generatore Controllo temperatura gas di scarico Preriscaldo aria di combustione Coibentazione superfici disperdenti Recupero di calore dagli spurghi Cogenerazione ………

Centrale termica Controllo combustione-Combustione del metano 2 6

Centrale termica Controllo combustione-Combustione pratica Passando dalla chimica della combustione alla combustione pratica bisogna tener conto che: • i combustibili possono essere solidi, liquidi e gassosi; • Sono costituiti da quantità variabili di C e H 2; • la combustione avviene in spazi limitati e in tempi brevi. Pertanto è indispensabile avere aria in eccesso rispetto a quella teorica anche se ciò non assicura che la combustione avvenga in maniera completa 2 7

Centrale termica Controllo combustione-Eccesso d’aria (E) v Combustibili solidi (carbone polverizzato): 20% < e < 40% v Combustibili liquidi : 4% < e < 20% v Combustibili gassosi (metano) : 1% < e < 4% § per e=1% corrisponde una percentuale di CO 2 nei fumi pari a 11, 65% § per e=4% corrisponde una percentuale di CO 2 nei fumi pari a 3, 5% 28

Centrale termica Controllo combustione-Punto di rugiada acido § Bruciando combustibili contenenti zolfo si genera altre alla SO 2 anche la SO 3 § La percentuale della SO 3 che si genera dipende dal contenuto di zolfo nel combustibile ma anche dall’eccesso d’aria utilizzato. All’aumentare dell’eccesso d’aria aumenta la SO 3 e quindi il «punto di rugiada» § Per «punto di rugiada» s’intende la temperatura in cui inizia la condensazione della SO 3 che combinandosi con il vapore d’acqua (H 2 O) da luogo all’acido solforico H 2 SO 3 § Valori tipici del «punto di rugiada» sono: § 180°C – 200°C per il gasolio; § 130°C – 140°C per il metano; 29

Centrale termica Coibentazione pareti cilindriche L Ri Re Ti Te k Q 300 cm 2, 5 cm 2, 8 cm 300°C 295°C 30 kcal/hm°C 24936, 32 kcal/h aggiunta isolante s 5 cm kisolante 0, 029 kcal/hm°C Te 50°C Q 30 235, 53 kcal/h

Preriscaldo aria di combustione 31

Centrale elettrica Lista opportunità di risparmio energetico • Verificare la potenza dei trasformatori • Controllare la distribuzione dei carichi elettrici • Verificare l’impianto di rifasamento • Controllare il dimensionamento delle sbarre/cavi • Verificare Attacco/stacco dei trasformatori 32

Centrale elettrica Verifica potenza trasformatori Quando sul primario viene applicata una tensione elettrica alternata sinusoidale, per effetto dell'induzione magnetica si crea nel nucleo un flusso magnetico con andamento sinusoidale. Per la legge di Faraday-Neumann-Lenz, questo flusso variabile induce nel secondario una tensione sinusoidale. La tensione prodotta nel secondario è proporzionale al rapporto tra il numero di spire del primario e quelle del secondario secondo la relazione: [10] k 0 dove Vp è la tensione applicata sul primario, Vs la tensione indotta sul secondario, Np il numero di spire del primario e Ns il numero di spire del secondario, k 0 è chiamato rapporto di trasformazione. 33

Centrale elettrica Verifica potenza trasformatori Le perdite nei trasformatori sono di due tipi: quelle indipendenti dal carico e quelle funzione del carico. Le prime sono quasi esclusivamente le perdite nel ferro e dipendono dal quadrato delle tensione. Tali perdite si hanno quando il trasformatore è connesso ad una sorgete di tensione (rete elettrica) indipendentemente dal carico. Pertanto sono presenti anche quando il trasformatore lavora a vuoto. Le seconde sono proporzionali al quadrato della corrente e sono quasi esclusivamente le perdite nel rame. Si verificano quando circola corrente per soddisfare la richiesta di un carico elettrico. In teoria si ha che l’efficienza massima per un certo carico si raggiunge quando le perdite a vuoto e a carico sono uguali. (fattore di carico compreso tra 35 e 55%). 34

Centrale elettrica 35

Centrale elettrica controllare il dimensionamento delle linee • • • 36 Le perdite dipendono principalmente dall’effetto Joule. Sono pertanto direttamente proporzionali alla resistenza dei cavi o sbarre e al quadrato della corrente circolante. La resistenza è a sua volta dipendente dalla resistività del materiale dalla lunghezza del cavo e inversamente proporzionale alla sezione. I principali parametri da considerare nella progettazione/verifica dimensionamento delle linee di distribuzione sono la densità di corrente e la caduta di tensione. Il criterio largamente accettato nel settore industriale corrisponde ad una caduta di tensione inferiore al 5% nelle condizioni operative a cui corrisponde circa 2 -3% di perdite lungo le linee. Per la densità di corrente una regola generale è quella che maggiore è la sezione della linea più bassa e accettabile è la densità di corrente.

Centrale elettrica esempio di dimensionamento di una linea elettrica 37

Centrale elettrica esempio di dimensionamento di una linea elettrica 38

Centrale elettrica esempio di dimensionamento di una linea elettrica 39

Centrale elettrica: Energia reattiva • È energia reattiva quella che viene assorbita da parte di motori, trasformatori, lampade a fluorescenza e via dicendo senza produrre lavoro (solo l’energia attiva produce lavoro). • Il problema è che l’energia reattiva dell’utenza provoca maggiori consumi e impegno sulle linee dell’azienda elettrica, la quale addebita i relativi maggiori costi all’utente tramite penali per basso fattore di potenza Cosfi (Cosfi = coseno dell’angolo di sfasamento tra corrente e tensione). 40

Centrale elettrica: Rifasamento 41

Centrale elettrica 42

Centrale elettrica 43

Centrale elettrica: Rifasamento 44

Calcolo della potenza dei condensatori e risparmio energetico

Centrale frigorifera Lista opportunità di risparmio energetico • Utilizzare il “free cooling” • Controllare la temperatura del fluido frigorigeno • Pulire gli scambiatori • Suddividere i circuiti • Evitare perdite di refrigerante • Coibentare le tubazioni fredde 46

Ciclo frigorifero 47

Ciclo frigorifero 48

Ciclo frigorifero 49

Centrale frigorifera Sostituzione di un gruppo frigo con uno più efficiente Pn = potenza nominale (k. W) FC = fattore di carico h = tempo funzionamento (h) Cu = costo unitario energia (€/k. Wh) EERold = efficienza gruppo esistente EERnew = efficienza gruppo nuovo 50

Centrale aria compressa Lista opportunità di risparmio energetico Evitare le perdite Ridurre la pressione dell’aria compressa Dimensionare il compressore sulla domanda Usare compressori diversi per diversi livelli di pressione • Valutare la convenienza a installare VSD system • Effettuare la manutenzione • Valutare la convenienza di recuperi di calore • • 51

Centrale aria compressa Energy Efficiency BREF 2009 • Compressed air accounts for as much as 10 % of industrial consumption • Nowadays investment is governed by lifecycle cost analyses, especially with the supply of a new CAS. Energy efficiency is considered a major parameter in CAS design, and there is still potential in the optimization of existing CASs. The lifetime of a large compressor is estimated at 15 to 20 years. In this time, the demand profile in a facility can change and may need to be reassessed, and in addition to this, new technologies are becoming available to improve the energy efficiency of existing systems. 52

Centrale aria compressa Evitare le perdite 53

Centrale aria compressa Ridurre la pressione dell’aria compressa • Progettare i percorsi e le dimensioni delle tubazioni per ridurre le perdite di trasporto e di conseguenza la potenza e la pressione di funzionamento richiesta ai compressori. • Se il processo produttivo lo consente suddividere la rete in sottoreti esercite a pressioni diverse. Con una pressione di lavoro di 7 bar ogni incremento di 1 bar di pressione comporta un aumento del 7% dei consumi 54

Centrale aria compressa Valutare la convenienza di recuperi di calore 55

Centrale aria compressa Valutare la convenienza di recuperi di calore 56

Pompe e sistemi di pompaggio Lista opportunità di risparmio energetico • • • 57 Dimensionare le pompe sulla domanda Ridurre le perdite di carico Dimensionare correttamente il circuito Controllare l’efficienza delle pompe Eliminare le perdite di liquido ……. .

Pompe e sistemi di pompaggio Dimensionare la pompa sulla domanda La curva caratteristica di una pompa rappresenta le variazioni della prevalenza H in funzione della portata Q. La curva portata-prevalenza della pompa viene tracciata sperimentalmente per punti, a numero di giri costante. Le prevalenze decrescono all’aumentare della portata (e viceversa). Se ne deduce quindi che: la pompa centrifuga, a velocità di rotazione n costante, convoglia una portata Q che aumenta con il diminuire della prevalenza H. Quando la portata è zero la prevalenza raggiunge il valore massimo. Il rendimento η di una pompa è il rapporto tra la potenza utile Wu e la potenza assorbita W, cioè η = Wu/W. La curva dei rendimenti ha un andamento dapprima ascendente e poi discendente. Nel punto di massimo rendimento (o in un intorno di esso) il funzionamento della pompa è quello ottimale. La potenza W è il prodotto della portata Q per la prevalenza H e per la densità d del fluido (W=Q∙d∙H). Se si rappresentano in diagramma la portata Q sull’asse delle ascisse e la Potenza assorbita W sull’asse delle ordinate, si ottiene la curva portata-potenza. Tale curva è generalmente ascendente, cioè sale all’aumentare della portata. 58

Pompe e sistemi di pompaggio Dimensionare la pompa sulla domanda Se cambia il numero di giri della macchina cambiano pure sia la curva caratteristica, sia quella del rendimento sia quella della potenza assorbita. In figura sono rappresentate la famiglia delle curve caratteristiche e delle potenze assorbite a differenti velocità della girante sono rappresentate in cui sono pure segnate le curve di rendimento costante aventi una forma ovale. Il passaggio da una condizione di funzionamento ad un'altra si può fare molto agevolmente tenendo presente che la portata Q, la prevalenza H e la potenza W rilevate a n giri e la portata Qx, la prevalenza Hx e la potenza Wx quando il numero di giri è nx , sussistono le seguenti relazioni: 59

Pompe e sistemi di pompaggio Dimensionare la pompa sulla domanda Velocità di sincronismo motore asincrono • n: numero di giri • f: Frequenza di alimentazione motore (50 Hz) • p: numero di poli (2, 4, 6, 8) • Il carico applicato produce, in genere, uno scorrimento fra la velocità reale e la velocità sincrona del motore. Di solito, questo scorrimento ha un valore ridotto, attorno all’ 1 – 3 % del valore della velocitá sincrona. • Un modo per ottenere un motore a velocità variabile è modificare la frequenza di alimentazione. • Il dispositivo che serve a questo scopo riceve il nome di convertitore di frequenza. 60

Pompe e sistemi di pompaggio Dimensionare la pompa sulla domanda 61

Pompe e sistemi di pompaggio Dimensionare la pompa sulla domanda riduzione di portata con valvola strozzatrice h Q H ρ η g W ore m 3/h m kg/m 3 m/s 2 k. W 950 220 85 1000 0, 65 9, 81 78, 40 540 200 95 1000 0, 66 9, 81 78, 45 730 160 110 1000 0, 64 9, 81 74, 94 1000 128 1000 0, 53 9, 81 78, 97 78973, 6 1200 110 130 1000 0, 51 9, 81 76, 41 91688, 2 4420 η 0, 65 62 E k. Wh 74476, 3 42361, 4 54704, 4 342. 204 riduzione di portata con inverter H W nx Qx m k. W 85 78, 4 2727 200 85 78, 4 2182 160 n Q m 3/h 3000 220 Hx 70, 25 44, 96 Wx k. W 78, 4 58, 9 30, 2 E k. Wh 74476, 3 31806, 1 22014, 5 0, 65 3000 220 85 78, 4 1636 120 25, 29 12, 7 12722, 4 0, 65 3000 220 85 78, 4 1500 110 21, 25 9, 8 11759, 4 152. 779

Ventilatori Lista opportunità di risparmio energetico • • • 63 Scegliere correttamente il ventilatore Ridurre le perdite di carico del circuito Eliminare le perdite di fluido Verificare le condizioni operative Limitare i volumi trattati alle effettive esigenze del carico

Edifici industriali Lista opportunità di risparmio energetico • • • 64 Coibentazione superfici disperdenti Controllare la temperatura degli ambienti Evitare le perdite di calore Limitare gli spazi riscaldati Conservare l’efficienza dell’impianto Installare controlli automatici di temperatura

Edifici industriali Coibentazione superfici disperdenti 65

Edifici industriali Coibentazione superfici disperdenti 66

Edifici industriali Coibentazione superfici disperdenti 67

Edifici industriali Consumo di combustibile 68

Edifici industriali Coibentazione superfici disperdenti 69

Edifici industriali Coibentazione superfici disperdenti 70

Edifici industriali Limitare gli spazi riscaldati Assenza di gradiente termico e quindi minori dispersioni Nei locali riscaldati con impianti ad irraggiamento, l'assenza di un marcato gradiente termico riduce la stratificazione dell’aria e quindi il carico termico necessario al riscaldamento del locale. La percezione di comfort di un ambiente è legata non solo alla temperatura dell’aria (TA) ma anche alle temperature delle superfici che circondano il corpo (Temperatura media radiante TMR). La figura mostra le condizioni di comfort per gli operatori di un capannone industriale, impegnati alle macchine utensili. Nel caso di un impianto convettivo il comfort può essere raggiunto per una temperatura dell’aria e delle pareti di 17°C; utilizzando un impianto radiante si può ridurre la temperatura dell’aria ad appena 15°C, portando la temperatura media radiante a 22°C. 71

Motori elettrici Lista opportunità di risparmio energetico • Eseguire correttamente riparazioni e riavvolgimenti • Installare motori a alta efficienza • Selezionare i motori a seconda del carico • Fermare automaticamente i motori • Valutare la convenienza a installare dispositivi a velocità variabile 72

Esempio di diagnosi energetica sui motori elettrici. Cosa chiedersi? • • 73 Quanti motori ci sono? Sono in funzione solo quando è necessario? Per quanto tempo funzionano? Sono presenti motori di grossa potenza? Quante pompe e ventilatori ci sono? Qual’ è il fattore di carico? Sono presenti valvole “strozzatrici” di flusso?

Esempio di diagnosi energetica sui motori elettrici. Cosa tenere presente? S. E. = (Pn*FC*h* Cu)/Eff • • • 74 S. E. = spesa energetica Pn = potenza nominale FC = fattore di carico h = tempo funzionamento Cu = costo unitario energia Eff. = rendimento motore

Esempio di diagnosi energetica sui motori elettrici. Cosa fare? • • 75 Ridurre la potenza Ridurre il tempo di funzionamento Ridurre il costo unitario dell’energia Migliorare l’efficienza energetica del sistema.

Esempio di diagnosi energetica sui motori elettrici. Regolamento Europeo 640/2009 stabilisce l’efficienza minima dei motori e il calendario di applicazione • Dal 16/06/2011 livello minimo IE 2 • Dal 01/01/2015 motori con potenza da 7, 5 a 375 k. W efficienza minima IE 3 o IE 2 se con inverter • Dal 01/01/2017 motori con potenza da 0, 75 a 375 k. W efficienza minima IE 3 o IE 2 se con inverter 76

Esempio di diagnosi energetica sui motori elettrici. Regolamento Europeo 640/2009 77

Esempio di diagnosi energetica sui motori elettrici. In the European Union, wide ranging legislation has been ratified with the objective to reduce energy usage and in turn CO 2 emissions. EU Regulation 640/2009 and the supplement 04/2014 involve energy usage and/or the energy efficiency of induction motors in the industrial environment. The standard IEC 60034 -30 -1: 2014 defines efficiency classes for 50 and 60 Hz and stipulates, worldwide, which motors are involved and which exceptions apply. The EU Regulation is essentially based on this standard. New efficiency classes have been defined in IEC 60034 -30 -1 for induction motors (IE = International Efficiency): • IE 1 (Standard Efficiency) • IE 2 (High Efficiency) • IE 3 (Premium Efficiency) • IE 4 (Super Premium Efficiency) 78

Esempio di diagnosi energetica sui motori elettrici. Calcolo del risparmio? • • • 79 Pn = potenza nominale (k. W) FC = fattore di carico h = tempo funzionamento (h) Cu = costo unitario energia (€/k. Wh) IEstand = efficienza motore istallato IE 3 = efficienza motore nuovo

Illuminazione 80

Illuminazione 81

Grazie per l’attenzione 82