2.4. Zeller Plastik di Orio Litta, in provincia di Lodi, è un azienda appartenente. Efficienza energetica. L efficienza energetica nell industria

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1 EFFICIENZA ENERGETICA L efficienza energetica nell industria di Matteo Durigon 2.4 CASE HISTORY 02 L IMPIANTO ZELLER PLASTIK DI ORIO LITTA (LD) Efficienza energetica Zeller Plastik di Orio Litta, in provincia di Lodi, è un azienda appartenente a un gruppo internazionale a capitale francese, che si occupa di stampaggio plastico. L intervento di efficientamento commissionato alla mia azienda è stato suddiviso in tre fasi successive, sia per non creare disservizi alla produzione, sia per diluire l investimento in due anni. Abbiamo effettuato alcuni sopralluoghi preventivi per individuare le carenze sugli impianti di processo e proporre gli interventi ritenuti necessari a migliorarne il funzionamento e ridurre il consumo di energia primaria. Le azioni che abbiamo portato a termine, hanno interessato prevalentemente gli impianti di processo produttivo e sono state volte ad allineare l impianto al progresso tecnologico e ottenere benefici di funzionamento e di risparmio energetico. 70 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 71

2 Stato originale Circuito raffreddamento stampi presse Lo stampaggio plastico prevede l utilizzo di speciali macchine a iniezione di plastica fusa all interno di appositi stampi. Queste macchine sono chiamate convenzionalmente presse. Le presse sfruttano circuiti oleodinamici sia per l apertura e la chiusura degli stampi, sia per l iniezione della plastica fusa negli stampi stessi. Al fine di consentirne il corretto funzionamento, il circuito oleodinamico deve essere mantenuto a temperatura controllata, mediante un circuito di raffreddamento dell olio. Anche gli stampi devono essere raffreddati per consentire la solidificazione della plastica fusa dopo l iniezione e prima dell estrazione dei componenti stampati alla riapertura dello stampo. I tempi sono determinati sia dalla tipologia di plastica utilizzata, sia dalle temperature alle quali si possono mantenere sia il circuito oleodinamico che lo stampo. Va da sé che migliore è l efficienza dei circuiti di raffreddamento, minori saranno i tempi di stampaggio e maggiore il numero di pezzi prodotti nell unità di tempo. Il nostro principale obiettivo è stato proprio quello di migliorare l efficienza dei circuiti di raffreddamento. Per ridurre ulteriormente i consumi di energia elettrica abbiamo altresì proposto la sostituzione delle lampade a ioduri metallici originariamente installate nel reparto produttivo, con altre a tecnologia LED. Per favorire la leggibilità del nostro operato, suddividiamo l impianto della Zeller Plastik in tre comparti: Circuito raffreddamento stampi presse Circuito raffreddamento olio presse Illuminazione uffici e reparti produttivi che andiamo, adesso, brevemente a descrivere. Il circuito di raffreddamento stampi prevedeva tre unità refrigeratrici d acqua, installate in tempi diversi, seguendo le esigenze di espansione dello stabilimento. Al momento del nostro intervento, le macchine frigorifere servivano contemporaneamente due circuiti: Raffreddamento stampi e Climatizzazione del reparto produttivo (in estate). Questi due circuiti hanno necessità di operare a temperature molto differenti tra di loro. Conseguentemente, nella stagione estiva era necessario settare le unità con temperature di compromesso. Mentre le macchine installate all esterno, richiedevano la presenza di liquido anticongelante all interno del fluido vettore. Lo stesso liquido anticongelante (oltre a essere fortemente inquinante) incrostava tutti gli elementi del circuito idraulico, ivi compresi gli stampi delle presse, richiedendo notevoli e costosi interventi di manutenzione per la pulizia e la disincrostazione. Il sedimento, inoltre, peggiorava lo scambio termico e quindi il corretto raffreddamento degli stampi. Le unità originali operavano tutte contemporaneamente sullo stesso circuito, indipendentemente dal reale fabbisogno di raffreddamento. Tutte prevedevano un sistema di raffreddamento con condensazione ad aria e free-cooling incorporato (questa tecnologia consente di raffreddare il fluido vettore semplicemente sfruttando le basse temperature dell aria esterna nella stagione invernale, contribuendo a ridurre i costi per il raffreddamento). Il collegamento idraulico tra le unità, evidenziava l installazione delle stesse in tempi diversi. Rilevato un non corretto bilanciamento idraulico tra le unità refrigeranti installate, abbiamo osservato la mancanza di un collettore di distribuzione primaria che potesse agevolare un funzionamento in cascata dei refrigeratori. Le tre unità refrigeranti alimentavano un unico accumulo inerziale (sottodimensionato) tramite il quale, mediante opportune elettropompe di circolazione, l acqua refrigerata veniva spinta nel circuito di raffreddamento stampi interno allo stabilimento e al servizio di tutte le presse. Il circuito raffreddamento stampi presse era servito da tre elettropompe a portata fissa prive di regolazione e azionate a rotazione in modo manuale. Un sistema idropneumatico garantiva il mantenimento della corretta pressione nel circuito idraulico. 72 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 73

3 Circuito raffreddamento olio presse Interventi realizzati Il circuito di raffreddamento olio presse era invece asservito da due torri evaporative di tipo aperto, anch esse installate in tempi successivi e in funzione della espansione dello stabilimento. La torre evaporativa è un elemento che consente il raffreddamento del fluido vettore (qui, semplice acqua) quando le temperature d esercizio del fluido sono superiori a quelle dell aria esterna in tutte le stagioni. In questo caso, l acqua di raffreddamento deve essere mantenuta a una temperatura di circa 34 C per consentire il corretto raffreddamento dell olio delle presse. Va da sé che non risulta necessario ricorrere a unità refrigeranti, ma è sufficiente dissipare il calore del fluido vettore facendolo passare attraverso le batterie della torre evaporativa. La torre di tipo aperto, per sua natura, mette in diretto contatto l acqua di processo con l aria esterna e la espone all inquinamento da parte di polveri, pollini, fogliame, impurità presenti nell aria esterna con conseguente aggravio delle condizioni di pulizia del circuito. Delle elettropompe di circolazione di tipo sommergibile si occupano di alimentare tutte le presse con l acqua raffreddata e completare il processo di raffreddamento dell olio presse. Illuminazione L illuminazione dello stabilimento e degli uffici era realizzata con una tecnologia mista, e precisamente: nel reparto produttivo: con campane con lampade a ioduri metallici da 500W (n 54) nell officina, nei laboratori e nella mensa: con plafoniere con lampade a fluorescenza (neon) 2x58W e 4x18W negli uffici e nella reception: con plafoniere con lampade a fluorescenza (neon) con tubi da 2x36 e 4x18 W e faretti da 50W Al fine di migliorare il funzionamento dei circuiti di raffreddamento stampi e olio delle presse, abbiamo realizzato i seguenti interventi di miglioramento: 1 Separazione dei circuiti di raffreddamento abbinati ai refrigeratori d acqua. Il raffreddamento estivo degli ambienti produttivi (circuiti UTA) e il raffreddamento stampi sono stati separati mediante l installazione di uno scambiatore di calore a piastre per circuito raffreddamento stampi. In questo modo, è stato possibile definire due differenti setpoint da mantenere per la climatizzazione degli ambienti e per il raffreddamento stampi a tutto vantaggio dell efficienza di funzionamento dei gruppi frigoriferi. In virtù della bonifica del fluido di raffreddamento degli stampi riteniamo di aver raggiunto un considerevole risparmio che coinvolge anche la manutenzione dell impianto. Più in specifico, abbiamo ottenuto: > l eliminazione totale dei costi relativi alla fornitura annua di glicole anticongelante per il circuito raffreddamento stampi. Ipotizziamo in circa 1000lt/anno il fabbisogno attuale di liquido anticongelante per una cifra stimata di circa 3800 /anno per la sola fornitura dell anticongelante; > la riduzione dei costi relativi alla pulizia degli stampi (il liquido anticongelante si deteriora rapidamente, depositando una patina grassa e oleosa sulla superficie interna degli stampi, delle tubazioni, dei flussimetri, e dei componenti a bordo pressa; tale patina riduce lo scambio termico e quindi l efficienza di raffreddamento dello stampo, aumentando in modo significativo i tempi necessari al ciclo di stampaggio e quindi aumentando i costi produttivi). Ipotizziamo in 8 ore il tempo necessario alla pulizia di uno stampo imbrattato dal glicole e in 4 pulizie annuali per ogni stampo. Ipotizzando che ciascuna pressa abbia un solo stampo abbinato, ciò porta a un impegno di 1100 ore di manutenzione annue per la sola pulizia degli stampi e dei componenti relativi alla distribuzione dei fluidi per ciascuna delle presse presenti 74 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 75

4 nello stabilimento. Considerando in 15 il costo della manodopera di operai specializzati e in 34 il numero di presse installate nel reparto produttivo (costantemente in funzione), l importo totale risparmiato in un anno può raggiungere ! > l ottimizzazione delle temperature di esercizio del circuito raffreddamento stampi, che ora si differenziano rispetto a quelle necessarie per il condizionamento degli ambienti produttivi. Il controllo di temperatura sul circuito raffreddamento presse potrebbe portare a un risparmio di circa il 15/20% dei consumi di energia elettrica attualmente necessari per la preparazione di acqua refrigerata per climatizzazione ambienti + raffreddamento stampi e per la sua distribuzione (il dato non può essere confermabile dal nostro sistema di supervisione poiché non abbiamo potuto rilevare le informazioni precedenti all up-grade degli impianti); > il controllo di pressione, portata e temperatura (Δt C) del circuito raffreddamento stampi mediante apposito traduttore di pressione e la gestione della variazione di frequenza della rotazione delle elettropompe al servizio del circuito. Tale condizione permette di monitorare e mantenere costante la pressione del circuito raffreddamento stampi, indipendentemente dal numero di presse attive. Unitamente alla gestione in cascata dei gruppi frigoriferi, questo controllo consente di ottimizzare la generazione di energia frigorifera (sotto forma di acqua refrigerata) in funzione delle condizioni di esercizio del reparto produttivo e delle sue reali necessità. Non è possibile quantificare in modo preciso la percentuale di risparmio di questa modifica d impianto, poiché la variazione della frequenza è subordinata al miglioramento della distribuzione dei fluidi, che a sua volta è determinata dalle modifiche descritte ai punti precedenti. In considerazione di quanto sopra, riteniamo tuttavia che una sensibile riduzione delle perdite di carico attuali e la conseguente riduzione della frequenza del 20% dovrebbe portare a una significativa riduzione dei consumi elettrici. Il raffreddamento dei singoli stampi è regolato a bordo pressa, mediante l utilizzo di flussimetri e/o di valvole d intercettazione. Con questo sistema si cura l efficienza del raffreddamento stampo, ma non l effettiva necessità di energia da esso richiesta. L inserimento di un controllo di portata, subordinato a un trasduttore di pressione aumenta l efficienza dello scambio e riduce il lavoro dei refrigeratori (che se fossero collegati in cascata, genererebbero ulteriori vantaggi in termini di ore lavoro e assorbimenti elettrici). 2 Inserimento di un controllo di sequenza/cascata dei gruppi frigoriferi che ne ha reso possibile anche la rotazione (Master/Slave) in modo da omogeneizzare l invecchiamento delle macchine. Previa verifica tecnica, si è impostato un doppio setpoint estivo/invernale degli attuali gruppi frigoriferi, che sono stati portati a 7 C estivi (il circuito di condizionamento del reparto produttivo è stato associato a un solo gruppo frigorifero su tre) e 11 C (raffreddamento stampi) in mandata (mantenendo invariato il salto termico a 5 C). Tale modifica al circuito primario di produzione dell acqua refrigerata, porta all invecchiamento uniforme delle unità frigorifere, a una produzione di acqua refrigerata che segue il reale fabbisogno dell impianto produttivo e/o dell impianto di climatizzazione del reparto e degli uffici. Riteniamo che a un miglioramento del circuito primario possa conseguire un risparmio di circa il 10% sui costi di energia attualmente utilizzati per la preparazione dell acqua refrigerata. Inoltre, va considerato che ora, il bilanciamento idraulico sul circuito primario è corretto. É stato realizzato infatti un nuovo collettore primario che raccoglie il collegamento dei tre gruppi frigoriferi e che ripartisce il funzionamento degli stessi in conformità ai circuiti secondari. Dopo il nostro intervento, due gruppi frigoriferi di media potenza (250kW e 330kW) sono al servizio del circuito raffreddamento stampi e sono regolati dalla cascata. La temperatura di esercizio massimizza il funzionamento del sistema free-cooling. Il terzo gruppo frigorifero ha il compito di preparare l acqua refrigerata per il circuito di climatizzazione estiva del reparto produttivo. Dato che la sua potenza è addirittura esuberante (500kW) rispetto al fabbisogno frigorifero del reparto produttivo, è previsto che il terzo gruppo frigorifero possa essere chiamato a intervenire in caso di necessità sul circuito raffreddamento stampi. Il controllo della temperatura di esercizio viene gestito dal sistema di regolazione attraverso l elettrovalvola miscelatrice. É bene sottolineare che la gestione dell energia in funzione dell effettiva richiesta dell impianto permette di ridurre anche i consumi per il trasporto del fluido vettore che potrà essere distribuito in maggior/minor quantità, legando la portata d acqua alla temperatura di esercizio (ritorno dagli utilizzi). 3 Inserimento di un sistema di regolazione e supervisione che possa anche gestire e adottare azioni correttive sugli impianti in assoluta autonomia. La nostra supervisione ha dato la possibilità di sorvegliare l impianto e il corretto funzionamento dello stesso, analizzarne lo stato di efficienza e riportarne i dati in formato tabellare, evidenziando i dati di performance ottenuti. Tale tabulazione di dati potrà essere presentata a eventuali clienti di Zeller Plastik che ne facessero richiesta, in modo da dimostrare l efficienza dello stabilimento produttivo, o la rispondenza a determinati requisiti di qualità. 76 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. 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5 L introduzione di sistemi di Building Automation, ha permesso di ottenere uno screening dei consumi di energia primaria e una loro ottimizzazione. Ciò, grazie ad azioni correttive messe in opera dal sistema attraverso un software personalizzato e realizzato sulle precise specifiche dell utilizzatore. Anche la segnalazione di allarmi o di semplici variazioni delle normali condizioni di uso dell impianto, permette di prevenire eventuali problemi, riducendo o addirittura eliminando i fermi produttivi. 4 Affiancamento all attuale torre evaporativa di tipo aperto, di una seconda torre evaporativa con superfici di scambio maggiorate e gestione della stessa secondo le reali necessità di smaltimento calore del fluido vettore. La torre aperta esistente ha e manterrà un funzionamento On/Off, mentre la nuova torre sarà interamente gestita da variatori di frequenza (inverter) sia sulle elettropompe che sul ventilatore. In tal modo sarà possibile regolare le prestazione della torre e dei suoi ausiliari (elettropompe) all effettiva richiesta di smaltimento calore del circuito raffreddamento olio presse, sia in funzione della temperatura del fluido da raffreddare, che del numero di presse attive, che, ancora, della temperatura e umidità dell aria esterna. Questa tipologia di gestione della torre di raffreddamento permette di migliorare notevolmente le prestazioni del sistema soprattutto ai carichi parziali. Si stima una contemporaneità di richiesta delle presse attive piuttosto bassa, e pertanto la piena potenza della torre evaporativa non sarà praticamente mai richiesta dal circuito. Dai nostri calcoli riteniamo verosimile un funzionamento a regime ridotto del 50% rispetto al reale carico termico installato con un analogo risparmio energetico. 5 Controllo della pressione del circuito secondario raffreddamento olio presse. Le elettropompe esistenti di tipo sommerso, annegate nella vasca fredda della torre evaporativa, operano adesso attraverso un monitoraggio della pressione di esercizio. Un trasduttore di pressione legge la pressione del circuito di raffreddamento, e in funzione di questo varia la frequenza di rotazione delle elettropompe e ne controlla il funzionamento. Le elettropompe sono due. Una sola alla volta è attiva. La rotazione di funzionamento consente sia un allineamento delle ore di attività delle due pompe che un intervento di switch in caso di fault di una delle due elettropompe. La successiva azione di notifica dà agio di intervenire tempestivamente per risolvere l anomalia. 6 In seguito all installazione di opportuni filtri su tutti i nuovi circuiti, è risultato ancora più evidente il grado di sporcamento degli impianti. Ora i filtri si intasano con una certa frequenza (segno che la loro adozione era inevitabile), e si è reso necessario prevedere un controllo di pressione a monte e a valle dei filtri stessi con l intento di prevenirne l intasamento e di poter intervenire senza dover creare disservizi alla produzione. Tutti i filtri installati sul circuito di raffreddamento olio presse e raffreddamento stampi, nonché i filtri a monte dello scambiatore sul circuito primario dei Gruppi frigoriferi, sono monitorati mediante pressostati differenziali che notificano la necessità di pulizia sul sistema di supervisione e contemporaneamente (laddove possibile) arrestano il generatore attivo e prossimo all intasamento del filtro e attivano quello di back-up. 7 Con l obiettivo di ripristinare il corretto funzionamento dell impianto di climatizzazione estiva del reparto produttivo, è stata prevista l installazione di un sistema di termoregolazione delle Unità di Trattamento Aria (in seguito UTA) e di regolazione della portata del circuito idraulico dedicato, mediante l utilizzo di elettrovalvole con tecnologia PICCV (controllo della portata) a due vie in luogo delle elettrovalvole a tre vie attualmente installate sulle UTA. Variatori di frequenza sulle elettropompe di circolazione esistenti, completano l opera, accordando la richiesta di energia frigorifera delle UTA alla potenza messa in circolazione dalle pompe e, di conseguenza, alla richiesta di energia al refrigeratore. Tutti i controlli delle UTA saranno portati sul sistema di supervisione con il vantaggio di poter monitorare e gestire l intero stabilimento su un unica interfaccia utente, anche da remoto. 8 Per l illuminazione dello stabilimento è stata infine effettuata l installazione di lampade LED in totale sostituzione delle lampade precedentemente installate. I dati di progetto, e la conseguente valutazione del risparmio, pur indicativi, sono per così dire self explaining circa l opportunità di questo intervento. A fronte di una potenza elettrica impegnata per 35,56kW, con lampade LED si ha un impegno di 12,06kW. In termini di consumo di energia, i due valori di cui sopra si traducono rispettivamente in kWh e kwh. Fra i costi dell energia e i costi manutentivi, i totali dei costi annui con le due differenti opzioni ammontano invece e Il risparmio con tecnologia a LED è vicino, pertanto, ai euro annui, per un investimento su LED di circa euro. Il periodo di paypack può essere stimato in circa 18/20 mesi. 78 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 79