Industria ed efficienza energetica

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1 Industria ed efficienza energetica Manuale per gli studenti Realizzato con il contributo dei programmi Intelligent Energy Europe e programma per la Cooperazione Transfrontaliera Italia Slovenia dell Unione Europea

2 IUSES & TESSI Il presente manuale, realizzato all interno del progetto IUSES Intelligent Use of Energy at School, ( cofinanziato dalla Commissione Europea nell ambito del Programma Intelligent Energy Europe, è ora utilizzato per le attività del progetto TESSI TEaching Sustainability across Slovenia and Italy, finanziato nell ambito del Programma di Cooperazione Transfrontaliera Italia Slovenia dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (FESR) e dai fondi nazionali, il cui finanziamento ha permesso la ristampa dei manuali. Il Progetto TESSI si presenta come il naturale proseguimento del Progetto IUSES in quanto valorizza i materiali didattici già realizzati raccogliendo nuovi feedback per un loro ulteriore perfezionamento e, inoltre, produce nuovi manuali didattici sui temi dell acqua e della gestione del ciclo dei rifiuti. Per maggiori informazioni su l progetto TESSI visitate il sito: Per maggiori informazioni sul Programma di Cooperazione Transfrontaliera Italia Slovenia visitate il sito: Per maggiori informazioni sul programma Intelligent Energy Europe visitate il sito energy/intelligent/ Edizione: ITA 2.1 Novembre 2012 Controllare il sito del Progetto TESSI per verificare l ultima versione disponibile. Esonero di responsabilità: Il progetto è stato realizzato con il supporto della Commissione Europea. La presente pubblicazione riflette esclusivamente il punto di vista dell autore e la Commissione non può in alcun modo essere ritenuta responsabile per qualsivoglia utilizzo delle informazioni in essa contenute. Ministero dell'economia e delle Finanze

3 Autori: Tadhg Coakley (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Noel Duffy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Sebastian Freiberger (Stenum), Johannes Fresner (Stenum), Jos Houben (University of Leoben), Hannes Kern (University of Leoben), Christina Krenn (Stenum), Colman McCarthy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Harald Raupenstrauch (University of Leoben) Traduzione ed adattamento Luca Mercatelli (AREA Science Park), Fabio Tomasi (AREA Science Park) Layout Fabio Tomasi (AREA Science Park) Questo manuale ed il Progetto IUSES Il presente manuale è stato realizzato per il Progetto IUSES Intelligent Use of Energy at School, finanziato dalla Commissione Europea nell ambito del Programma Intelligent Energy Europe. I partner del progetto sono: AREA Science Park (Italia), CERTH (Grecia), CIRCE (Spagna), Clean Technology Center Cork Institute of Technology (Irlanda), Enviros s.r.o. (Repubblica Ceca), IVAM UvA (Olanda), Jelgava - Istituto di Formazione per Adulti (Lettonia), Prioriterre (Francia), Immaginario Scientifico Science Centre (Italia), Slovenski E-forum (Slovenia), Stenum GmbH (Austria), Politecnico di Bucarest (Romania), S.C. IPA S.A. (Romania), Università di Leoben (Austria), Università di Ruse (Bulgaria). Note sui diritti d autore Il presente manuale può venire liberamente copiato e distribuito, a condizione che vengano sempre riportate le presenti note sui diritti d autore, anche in caso di utilizzo parziale. Insegnanti, formatori e qualunque altro utilizzatore o distributore è tenuto a citare gli autori, il progetto IUSES ed il Programma Intelligent Energy Europe. Il manuale può anche essere tradotto liberamente in altre lingue. I traduttori dovranno, in questo caso, includere le presenti note sui diritti d autore e inviare il testo tradotto al coordinatore del progetto (iuses@area.trieste.it) che lo pubblicherà sul sito del Progetto IUSES perché venga distribuito gratuitamente. I

4 Legenda Definizione: indica la definizione di un termine e spiega cosa vuol dire Nota: mostra che qualcosa è importante, un indicazione di un informazione cruciale. Fate attenzione! Obiettivo didattico: Sono all inizio di ciascun capitolo spiegano ciò di cui si parlerà in quel capitolo. Esperimento, Esercizio o Attività: indica qualcosa da fare sulla base di ciò che si è appreso. Web link: indica un indirizzo internet dove si possono trovare maggiori informazioni. Riferimenti: Indica la fonte delle informazioni. Caso Studio: diamo un esempio reale di un industria o di una situazione reale Punti Chiave: è un sommario (di norma un elenco puntato) di ciò che si è trattato, in genere posto alla fine di un capitolo. Domande: indica che vi stiamo chiedendo di riflettere, specie alla conclusione di un capitolo Livello 2: questo indica una sezione di approfondimento

5 Indice Prefazione... 3 Capitolo 1: Introduzione all energia... 5 Cos è l energia?... 5 Problematiche legate all energia... 5 Fonti energetiche... 5 Consumi energetici... 6 Energia e Potenza... 8 Energia umana... 8 Capitolo 2: Fonti energetiche Problematiche legate alle fonti di energia non rinnovabili (fossili e nucleare) Energia rinnovabile Uso delle energie rinnovabili nell industria Capitolo 3: Trasformazione ed uso industriale dell energia Trasformazione dell energia (Vettori di energia) Tipologie di energia e vettori Produzione di carburanti Produzione di elettricità Centrali a ciclo combinato Centrali combinate termo-elettriche (in cogenerazione) Bilanci energetici nazionali ed intensità energetica Utilizzi finali dell energia nell industria Funzionamento delle caldaie Ventole e compressori Aria compressa Liquidi di raffreddamento e riscaldamento

6 Capitolo 4: Gestione dell energia Obiettivi di un sistema di gestione dell energia Elementi di un sistema di gestione dell energia Politica energetica Pianificazione Implementazione e funzionamento Verifica Revisione delle gestione Capitolo 5: Uso efficiente dell energia nell industria Introduzione Il ciclo di vita della carta Materie prime per la produzione di carta Il processo produttivo della carta Riciclo della carta ed utilizzo di fibra fresca Produzione di fogli Esperimento: Fatevi la carta da soli!

7 Prefazione L energia è ovunque! E ciò che fa succedere le cose, che fa muovere le cose, che ci dà luce e calore, che utilizziamo per viaggiare, cucinare, produrre i cibi e conservarli al fresco. Il manuale Il presente manuale Industria ed efficienza energetica fa parte di un corso denominato IUSES Intelligent Use of Energy at School - Uso Intelligente dell Energia a Scuola che ha l obiettivo di aiutare gli studenti a comprendere i principi base dell efficienza energetica e ne comprende tre: gli altri due sono Trasporto sostenibile e mobilità e L efficienza energetica negli edifici. Questo manuale introduce al concetto di energia e al suo funzionamento, specialmente nell industria; illustra, inoltre, molti dei termini utilizzati nel campo, le diverse fonti energetiche, i metodi di produzione dell elettricità e l utilizzo dell energia nelle attività industriali. Uno degli scopi principali del corso e di questo manuale è mostrare come possiamo rendere l energia più pulita e migliore in senso generale, produrla da fonti maggiormente rinnovabili ed anche come possiamo gestirla meglio, specie per quanto concerne la riduzione dei rifiuti e delle scorie. Com è organizzato il manuale Il manuale ha lo scopo di presentare le informazioni in maniera interessante ed interattiva, utilizzando testi, fotografie, grafici, definizioni, consigli, punti chiave e contiene anche molte attività, esercizi, domande. A seguire una breve panoramica di ciascuna sezione. Capitolo 1 Introduzione all energia Insieme al Capitolo 2, questa sezione introduce al concetto di energia, dandone una definizione e spiegando alcune delle principali misurazioni dell energia, quali ne siano le unità di misura e quali le definizioni. Viene data anche una definizione di potenza e si descrive come l industria e la società in generale siano dipendenti dall uso di energia in larga scale in tutte le occasioni in cui l energia umana non è sufficiente. La produzione di energia su larga scala, inoltre, è anche causa di problematiche legate all ambiente, mentre le fonti principali utilizzate oggi si stanno avviando all esaurimento. Capitolo 2 Fonti energetiche Questa sezione descrive l origine dell energia. Le principali fonti di energia che utilizziamo sono combustibili fossili, quali petrolio, carbone e gas, che sono fonti non rinnovabili e si possono utilizzare solo una volta. Le loro emissioni, inoltre, danno un contributo molto significativo al cambiamento climatico. Altri tipi di energia, da fonti rinnovabili quali il Sole, il vento o il mare, sono inesauribili e non contribuiscono al riscaldamento globale del pianeta. Potremmo anche riuscire a produrre energia utilizzando risorse che forse oggi consideriamo materiali di scarto. In sostanza, otteniamo energia da molte fonti, alcune molto più pulite e migliori di altre. Descriviamo poi le tendenze nell utilizzo dell energia e la sua importanza nell industria. Capitolo 3 - Trasformazione ed uso industriale dell'energia Questa sezione spiega che l energia viene spesso convertita in carburanti trasportabili (con la raffinazione del petrolio) o in elettricità (utilizzando le centrali energetiche). A volte, poi, produciamo sia elettricità che calore. Consideriamo la domanda globale di energia di un dato paese, evidenziando come l industria sia un utilizzatore molto importante, comparabile ai trasporti ed ai consumi domestici. Infine si introduce l idea di intensità energetica. Capitolo 4 - Gestione dell'energia Questo capitolo descrive come si possa applicare all industria un sistema di gestione dell energia. Un approccio simile si potrebbe adottare anche per una scuola, con l obiettivo di fornire uno schema di riferimento per la gestione dell energia. Questo approccio è valido sia per grandi che per piccole organizzazioni! Capitolo 5 Caso studio dell industria cartaria Il capitolo 5 descrive il processo per la produzione della carta. E stato scelto come esempio ad illustrare i processi legati all energia nell industria. Abbiamo anche fornito istruzioni su come gli studenti possono 3

8 produrre la propria carta, per dare l opportunità agli insegnanti di mostrare aspetti particolari del processo. Le icone e le indicazioni che troverete nel libro Nel manuale abbiamo provato a suddividere le informazioni in sezioni e sottosezioni perché siano più facilmente gestibili ed interessanti, per cui non si tratta soltanto di pagine e pagine di testo (che barba!). Quindi, quando abbiamo qualcosa da evidenziare, come una definizione, un attività, un obiettivo didattico, una nota importante o un riferimento, lo segnaliamo con un icona. Occhio, quindi, a queste icone: Definizione: Indica la definizione di un termine e spiega cosa vuol dire Nota: Mostra che qualcosa è importante, un indicazione di un informazione cruciale. Fate attenzione! Obiettivo didattico: Sono all inizio di ciascun capitolo spiegano ciò di cui si parlerà in quel capitolo. Esperimento, Esercizio o Attività: Indica qualcosa da fare sulla base di ciò che si è appreso. Web link: Indica un indirizzo internet dove si possono trovare maggiori informazioni. Riferimenti: Indica la fonte delle informazioni. Caso Studio: Diamo un esempio reale di un industria o di una situazione Punti Chiave: E un sommario (di norma un elenco puntato) di ciò che si è trattato, in genere posto alla fine di un capitolo. Domande: Indica che vi stiamo chiedendo di riflettere, specie alla conclusione di un capitolo Livello 2: Questo indica una sezione di approfondimento Segue: Si trova alla fine di ciascun capitolo e vi dice cosa si trova nella sezione successiva. 4

9 Chapitolo 1 Introduzione all energia Obiettivi didattici: In questo paragrafo parleremo di Che cosa sia l energia e quale sia la sua rilevanza Una breve panoramica di alcuni dei problemi principali connessi all uso dell energia, alle sue fonti ed al suo consumo Cos è l energia? L energia è ovunque e senza non potremmo vivere. L usiamo tutti i giorni, infatti, e in molti modi differenti: il cibo che consumiamo contiene energia, la carta su cui scriviamo questo manuale ha richiesto energia per la sua produzione, la luce utilizzata per leggerlo è anch essa energia. Ma da dove viene tutta questa energia? E che cosa ne facciamo? La utilizziamo in modo appropriato oppure la sprechiamo senza motivo? Cosa faremo quando tutto il carbone ed il petrolio si esauriranno? Si tratta solo di alcune delle domande a cui cercheremo di dare risposta in questo manuale. Abbiamo anche bisogno di pensare alle conseguenze dell utilizzo e della conversione dell energia. Avete mai sentito parlare di cambiamenti climatici? E di emissioni di gas serra? Si tratta di problemi seri per l intero pianeta e la produzione di energia ne è una delle cause principali. Tuttavia non deve andare per forza così: esiste un modo migliore di produrre ed utilizzare l energia e noi parleremo proprio di queste e di altre tematiche nei capitoli che seguono. Definizione: L energia viene di solito definita come la capacità di produrre lavoro. La quantità di energia si traduce, insomma, nella quantità di lavoro prodotta. Problematiche legate all energia Le emissioni risultanti dall utilizzo di combustibili fossili per la produzione di energia sono la causa prima dei cambiamenti climatici: l estrazione e l utilizzo di questi combustibili, infatti, causano inquinamento. Dobbiamo inoltre tenere presente che tali fonti si stanno esaurendo e ciò significa che la garanzia della fornitura è oggi di estrema importanza (dipendiamo soprattutto dal carbone e dal petrolio). L implementazione di misure volte allo sfruttamento di energie rinnovabili ed all efficienza energetica sono la maniera migliore per ridurre tale danno al pianeta. Tutto questo è importante nella vita di tutti i giorni, ma anche nell industria e negli affari. L efficienza energetica nell industria o la completa auto-sufficienza attraverso l utilizzo di fonti rinnovabili non portano soltanto ad un miglioramento dell ambiente, ma possono anche incrementare la resa in termini economici di una determinata attività, attraverso la riduzione dei costi e un miglioramento generale nell efficienza dei processi. Ritorneremo più avanti su queste opportunità. Fonti Energetiche La natura ci mette a disposizione molte fonti di energia, come la radiazione solare, la corrente generata dal fluire dell acqua (energia idro-elettrica), le onde dell oceano, il vento e le maree. L energia, inoltre, viene anche dai combustibili fossili (che includono il carbone, il petrolio, il gas naturale). Queste fonti si possono suddividere tra rinnovabili e non rinnovabili. L energia rinnovabile si ottiene da una gamma di fonti: Le forze gravitazionali del Sole e della Luna che danno origine alle maree; La rotazione della Terra combinata all energia solare, che genera le correnti degli oceani ed il vento; Il decadimento di minerali radioattivi ed il calore interno della Terra, che danno l energia 5

10 geotermica, La produzione foto-sintetica di materiali organici (biomasse); Il calore diretto del Sole (energia solare). Queste fonti di energia vengono dette rinnovabili perché o vengono continuamente rifornite, oppure sono praticamente inesauribili. Le fonti di energia non rinnovabili includono i combustibili fossili (gas naturale, petrolio, olio di scisto, carbone e torba) ed anche l uranio (energia nucleare). I combustibili fossili sono ad alta densità energetica e molto diffusi. La maggioranza dei settori industriali, dei trasporti e dei servizi dipende dall energia contenuta in queste fonti energetiche non rinnovabili. Consumo di energia Secondo l AIE (Agenzia Internazionale dell Energia), il consumo energetico mondiale continuerà ad aumentare in media del 2% l anno. Questo incremento annuo porterà ad un raddoppiamento nei consumi ogni 35 anni. Il consumo energetico è connesso in qualche misura con la performance economica, ma va considerato che esiste una differenza molto significativa tra le quantità di energia utilizzata nei paesi più industrializzati e in quelli più poveri. Lo sapevate che un individuo negli Stati Uniti consuma in media 57 volte più energia di uno che vive in Bangladesh? Gli Stati Uniti consumano il 25% dell energia consumata nel mondo (con una percentuale di produttività a livello globale del 22% ed una popolazione che arriva al 5%). Nota: L incremento più significativo nel consumo energetico si sta registrando in Cina, paese che ha avuto una crescita del 5,5% l anno nel corso degli ultimi 25 anni. In Europa il tasso di crescita è stato soltanto dell 1%. Domanda: Cosa indicano queste quattro fotografie? Scrivete un paragrafo per ciascuna, parlando di energia.. Punti chiave: I punti chiave di questo capitolo sono: L energia ha un ruolo fondamentale nella nostra vita, ma probabilmente la diamo per scontata. La produzione di energia ed il suo consumo stanno causando un danno molto importante al pianeta e questo processo va fermato. L energia viene ricavata da molte fonti: le più tradizionali ed utilizzate con maggiore frequenza (petrolio, carbone, eccetera) stanno per finire e le fonti rinnovabili sono l unica prospettiva per garantire la disponibilità di energia in futuro. 6

11 Web links International Energy Agency (IEA): European Environment Agency: Segue: Nella prossima sezione verrà fornita la definizione di potenza, spiegheremo le unità di misura dell energia e della potenza e svolgeremo alcuni esercizi 7

12 Energia e Potenza Obiettivi didattici: In questo paragrafo parleremo di Le principali unità di misura dell energia e della potenza e le modalità di applicazione Attraverso un esperimento vedremo come si può convertire l energia da una forma all altra Definizione: La potenza viene definita come il lavoro compiuto nell unità di tempo. La potenza misura anche la quantità di energia scambiata o trasformata nell unità di tempo ad esempio da energia chimica (carbone) ad energia elettrica in una centrale energetica e da elettrica a meccanica in un motore. Unità di misura dell energia e della potenza Joule (J) - Si tratta di un unità di misura utilizzata per la misurazione dell energia termica, meccanica ed elettrica. Dal momento che l energia è la capacità di eseguire lavoro, un joule (J) è il lavoro eseguito quando una forza pari ad 1 newton agisce su una distanza di un metro in direzione della forza. E anche pari al lavoro eseguito quando 1 ampere di corrente passa attraverso una resistenza di 1 ohm per un secondo. Watt (W) Si tratta di un unità di misura della potenza, pari al trasferimento di 1 joule di energia al secondo. Multipli delle unità: dal momento che un joule ed un watt sono piuttosto piccoli, si parla spesso di migliaia di joule, cioè di kilo-joule (kj), milioni di joule (MJ) o miliardi di joule (GJ). In maniera simile si parla di kilowatt (kw), megawatt (MW) e giga watt (GW). Energia umana Cosa significano in realtà watt e joule? Quanti ne usiamo nel nostro corpo? E sono sufficienti per la nostra sopravvivenza e per le attività che svolgiamo? Un atleta olimpico di sollevamento pesi può raggiungere W, ma solo per meno di un minuto. Un ciclista di altissimo livello che partecipi al Tour de France può raggiungere una resa di potenza pari a 500 W per molte ore. Una persona seduta utilizza circa 100 W per il metabolismo di base dell organismo: pensare, respirare, eccetera. La misurazione in cavalli-potenza è un antica unità di misura che può avere diverse definizioni, ma tipicamente equivale a 745 W, quindi si riteneva ottimisticamente che un cavallo avesse la capacità di sviluppare una potenza di 745 W. In realtà, però, la potenza espressa dall uomo o dal cavallo non sono più sufficienti per le nostre necessità odierne. Si tratta di quantità molto limitate in relazione a quello di cui abbiamo bisogno in termini di elettricità per far funzionare le fabbriche, i mezzi di trasporto, eccetera. Per questo motivo abbiamo così tanto bisogno di utilizzare petrolio, carbone, gas ed energia solare. 8

13 Unità di misura dell energia e della potenza Kilowattora (kwh) Si tratta di un unità di misura dell energia o del lavoro di norma associata con l energia elettrica, ma utilizzata anche per descrivere altre forme di energia. Se l energia viene utilizzata a joule al secondo (ovvero W) per una durata di un ora, viene utilizzato 1 kilowattora di energia. Ad esempio, se una lampadina ad incandescenza viene lasciata accesa per 10 ore, consuma 1 kilowatt ora (100W x 10 ore = 1.000Wh = 1kWh). E anche pari a 3,6 milioni di joule. Tonnellata Equivalente di Petrolio (TEP) Si tratta di un unità standard convenzionale per l energia definita sulla base di una tonnellata di petrolio con un potere calorifico pari a kj, altrimenti esprimibile in circa 42 GJ. Questa unità di misura è utile se si paragonano diversi carburanti e ne sono necessarie grandi quantità. 1 TEP = MWh Esercizio Esperimento: Nel seguente esperimento: Prenderemo in considerazione come l energia possa essere convertita da una forma all altra (da elettrica a termica); Eseguiremo un semplice bilancio energetico; Stabiliremo quanto sia grande in realtà un joule o un watt. Quando mettiamo dell acqua in un bollitore elettrico, l energia elettrica viene convertita in energia termica, facendo aumentare la temperatura del acqua. La capacità calorifica specifica di una sostanza è l ammontare di energia necessaria per far cambiare la temperatura di un kilogrammo della sostanza di un grado Celsius o Kelvin (K), se preferite, dato che la differenza in temperatura può essere espressa indifferentemente nelle due unità di misura. La capacità calorifica specifica dell acqua e circa J/kg K. Se un kilogrammo di acqua a 20 C viene riscaldato a 60 C, tale operazione richiede J, calcolati secondo la seguente formula: 1 kg x J/kg K x (60-20) gradi K Il valore così ottenuto è 167,2 kj, quindi, come si può osservare, un joule non è una grande quantità di energia! Per l esperimento avrete bisogno di: acqua, una bilancia, un bollitore elettrico, un termometro, un wattometro ed un timer. Ecco cosa dovete fare: 1. Inserite una quantità di acqua ben definita nel bollitore elettrico e misuratene la temperatura. 2. Iniziate a calcolare il tempo nel momento in cui accendete il bollitore e misurate la potenza assorbita dal bollitore stesso in watt. 3. Quando il bollitore si spegne, fermate il tempo e misurate con cautela (l acqua calda può causare ustioni!) la temperatura dell acqua. 4. Calcolate l apporto di energia fornito utilizzando il valore indicato dal wattometro ed il tempo di riscaldamento. Utilizzando la misura della massa dell acqua (valore noto), l aumento della temperatura rilevato e la specifica capacità calorifica del acqua, calcolate il calore assorbito dal liquido. Domanda: Corrispondono? Se no, perché? 9

14 Nota: Per quanto la conversione dell energia nel bollitore si possa considerare molto efficiente, l elettricità potrebbe essere stata prodotta in una centrale a combustibile fossile, con un efficienza inferiore al 50%, come vedremo in seguito. Domande: 1. Se un individuo che lavora sodo può produrre in media 200 W di resa energetica, quanti joule di lavoro può produrre un essere umano in media in un anno di lavoro? A quanto equivale questo valore espresso in kwh? 2. Il vostro wattometro può avere la capacità di determinare quanti kilowattora di energia vengono utilizzati per un particolare compito. Se questo è il caso, individuate la quantità di energia necessaria per lavare una certa quantità di indumenti o di stoviglie. 3. Nell industria si utilizzano comunemente sistemi a vapore, poiché per fare evaporare l acqua è necessario somministrare calore latente, che viene poi rilasciato al momento della condensazione del vapore. Il calore latente è la quantità di energia sotto forma di calore rilasciata o assorbita da una sostanza chimica al momento del cambio di stato (ad esempio solido, liquido, gassoso) o in transizione di fase. Qual è il calore latente di un kilogrammo di acqua (a pressione atmosferica) e che relazione ha con il calore necessario per far aumentare la temperatura dell acqua allo stato liquido fino a 80 C? Definizione: Il calore latente è la quantità di energia sotto forma di calore rilasciato o assorbito da una sostanza chimica nel cambio di stato (ovvero solido, liquido, gassoso) o in transizione di fase. Key Points: I punti chiave del presente paragrafo sono: Le unità misura di energia e di potenza sono rispettivamente watt e joule, ma i loro valori sono molto piccoli e quindi utilizziamo multipli di essi come unità di misura L energia che utilizziamo quotidianamente supera di gran lunga la capacità umana. Web links: AIE - Agenzia Internazionale dell Energia: Agenzia Europea per l Ambiente: Segue Nella sezione che segue apprenderemo da dove venga l energia che utilizziamo e come venga convertita e distribuita prima di considerarne l utilizzo nell industria. 10

15 Capitolo 2: Fonti energetiche Obiettivi didattici: In questo capitolo parleremo di Le principali fonti di energia, sia rinnovabili che non rinnovabili Come stia crescendo l uso di energie rinnovabili Per energia primaria si intende l energia che non ha subito alcuna conversione o trasformazione. Sono forme di energia primaria l energia non rinnovabile contenuta in combustibili grezzi come carbone, greggio, gas naturale, uranio ed energie rinnovabili come quelle solare, eolica, idroelettrica e geotermica. Quando si guarda alle tendenze nella fornitura delle singole fonti, si vede che c è stato un incremento generale nella fornitura globale di energia nel corso degli ultimi 35 anni. Nel contesto di questa crescita generale, il gas e l energia nucleare hanno giocato una parte più importante in termini quantitativi, con una riduzione proporzionale nell utilizzo del petrolio. L Europa è ancora in larga misura dipendente dai combustibili fossili. Tra il 1990 ed il 2005, la percentuale di combustibili fossili sul totale del consumo di energia è diminuita solo in misura modesta dall 83 al 79% circa (vedi Fig. 1). Nel corso dei primi10 anni del periodo considerato, il gas è diventato più largamente utilizzato per la produzione di elettricità, con un proporzionale decremento del carbone. Ciò ha avuto come risultato una riduzione importante nelle emissioni. Dal 1999, l uso di carbone ha ripreso quota come conseguenza delle preoccupazioni riguardanti la fornitura e gli aumenti nelle tariffe applicate per il gas. Million tonnes of oil equivalents Renewables Nuclear Coal and lignite Gas Fig. 1 - Il consumo totale di energia primaria nei combustibili, UE-27. Fonte: Agenzia Europea dell Ambiente - Energia e Ambiente, 2008 In questo periodo, l energia rinnovabile ha il maggiore tasso di crescita annuale sul totale dell energia primaria consumata, con una media del 3,4% tra il 1990 ed il Le biomasse ed i rifiuti sono state le fonti che hanno dimostrato la maggior crescita, come mostrato in Fig

16 Shares in primary energy consumption (%) 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Solar Wind Geothermal Hydro Biomass and waste Fig. 2 - Contributo delle fonti rinnovabili al consumo di energia primaria nei 27 paesi membri dell UE. Fonte: Rapporto Agenzia Europea del Ambiente - Energia e Ambiente, 2008 Paesi diversi usano naturalmente quantità differenti di energia primaria, a seconda della popolazione, dell intensità di energia della relativa industria, del clima, eccetera. La Fig. 3 mostra il consumo di energia primaria nei paesi membri nel corso del 2006, espresso in tonnellate equivalenti di petrolio. 1,000 t.o.e Bulgaria Czech Germany Ireland Greece Spain France Italy Latvia Netherlands Austria Portugal Romania Slovenia United 2006 Fig. 3 Produzione di energia primaria nei paesi membri nel 2006 (in migliaia di T.E.P.) Fonte:sito Eurostat Può risultare interessante, ai fini di una migliore comprensione considerare, il mix energetico nei diversi paesi. Nei 27 paesi membri, utilizzando i dati riferiti al 2005, il 79% dell energia è stata prodotta utilizzando petrolio, gas e carbone con percentuali del 36,7%, 24,6% e 17,7% rispettivamente, mentre il 54% di esse è stato importato. Nella figura sotto riportata, il consumo totale di energia per ciascun paese viene rappresentato come 100% e questo totale viene poi suddiviso tra le diverse fonti di energia. 12

17 100% 80% 60% 40% 20% 0% 20% EEA EU 27 EU 15 Bulgaria Czech Republic Germany Ireland Greece Spain France Italy Latvia Netherlands Austria Romania Slovenia United Kingdom Imports exports of electricity Renewables Nuclear Fig. 4 Percentuale del consumo totale di energia primaria da combustibili nei paesi membri nel Fonte: Agenzia Europea dell Ambiente - Energia e Ambiente, 2008 La fig. 5 riportata di seguito mostra la fonte dell energia primaria e la destinazione finale del consumo energetico per i 27 paesi dell UE. Quasi un quarto dell energia primaria consumata viene dispersa nelle operazioni di trasformazione e distribuzione. Il settore dell energia in sé consuma circa il 55 per il proprio funzionamento. Da questa figura si evince l importanza relativa delle diverse fonti di energia e dei settori di consumo, con l industria direttamente responsabile di meno di un quinto della domanda di energia. Gas Oil Coal and lignite Fig. 5 Struttura dell efficienza di trasformazione e distribuzione dell energia dal consumo di energia primaria al consumo finale di energia, UE-27, Fonte: EEA, Eurostat Il consumo finale di energia nei 27 paesi membri dell UE è sceso dell 11% circa tra il 1990 ed il La gran parte di ciò è avvenuto durante la recessione dei primi anni 90, come si può vedere in Fig. 6. Insieme ad un miglioramento in termini di efficienza, è avvenuto uno spostamento a sistemi industriali a minore intensità energetica e ad un economia basata sui servizi all interno dell UE. Per quanto ciò possa aver portato ad una riduzione nei consumi energetici all interno dell UE, dovremmo ancora considerarci utenti indiretti dell energia utilizzata e produttori di gas serra e di altri agenti inquinanti se utilizziamo prodotti e manufatti provenienti dal di fuori dell UE. 13

18 Fig. 6 Consumo energetico finale per settore Fonte: Agenzia Europea dell Ambiente; Eurostat Problematiche legate alle fonti di energia non rinnovabili (fossili e nucleare) Quando bruciamo combustibili fossili, produciamo biossido di carbonio e contribuiamo così ai cambiamenti climatici. Inoltre, a seconda delle condizioni di combustione, delle strumentazioni utilizzate per la depurazione dei gas di scarico e specialmente della composizione del combustibile, possiamo produrre fumi e gas che portano all acidificazione. I combustibili fossili sono, infine, una risorsa limitata e spesso si trovano in aree geograficamente distanti dall Europa. Problema Risorse finite Garanzia di fornitura Emissione di gas serra Emissioni inquinanti Soluzione Non esiste soluzione: carbone, gas e petrolio sono limitati. Possiamo esplorare le profondità degli oceani, l Artico e l Antartide per trovare ulteriori quantità di combustibili fossili, ma a costi finanziari ed ecologici di gran lunga maggiori. Oltre alla limitatezza delle scorte, ci serviamo di trasporti via nave e di oleodotti e gasdotti per trasportare i combustibili fossili da una parte all altra del mondo e l instabilità politica può portare a difficoltà legate all accesso ai territori interessati. Esistono progetti di sviluppo di tecnologie per catturare le emissioni di anidride carbonica ed immagazzinarla, ma sussistono dubbi sulla possibilità tecnica di realizzo, i costi ed i rischi connessi allo stoccaggio. Le costose strumentazioni per la depurazione delle emissioni, l accurata preparazione dei carburanti ed il sofisticato controllo della combustione hanno portato a risultati positivi nella riduzione dell inquinamento in Europa, ma anche ai relativi costi. Tutte queste soluzioni presentano dei problemi, quindi un incremento dell efficienza ed un utilizzo intensivo di energia prodotta con fonti rinnovabili è un obiettivo primario per il futuro. Il picco del petrolio Vi è accordo generale tra le 18 stime riconosciute per i profili di fornitura sul fatto che il picco di estrazione del petrolio si avrà nel 2020 ad una ritmo di 93 milioni di barili al giorno (mbg). Il consumo attuale di petrolio è al ritmo di 0,18 ZJ l anno (31,1 miliardi di barili) o 85 mbg, ma la preoccupazione è diffusa e riguarda l inadeguatezza delle scoperte di nuovi giacimenti a soddisfare la domanda crescente. (fonte. 14

19 Fig. 7 Produzione mondiale nel tempo (fonte: ASPO,. 2005) Il picco del petrolio è il punto di mezzo della produzione globale di idrocarburi. Nel 1956 M. King Hubbert, un geologo che lavorava per la Shell, aveva previsto che il picco della produzione di petrolio negli Stati Uniti sarebbe arrivato alla fine degli anni 60. Benché deriso dalla maggior parte dell industria, Hubbert aveva ragione. E stato il primo ad asserire che la scoperta del petrolio e la conseguente produzione avrebbero seguito una curva a campana nel corso del loro ciclo di vita. Dopo il successo nelle previsioni del picco di estrazione negli Stati uniti, questa analisi è nota come picco di Hubbert. (fonte: Energia rinnovabile Secondo l Agenzia internazionale dell Energia (2007), le energie rinnovabili erano nel 2004 la fonte del 13,1% della fornitura globale di energia primaria, con le biomasse (79,4%) e l idroelettrica (16,7%) come fonti principali. Le nuove fonti di energia rinnovabile il solare, l eolico e le maree danno meno dello 0,1% del totale di energia primaria. Nel suo Scenario di Politiche Alternative (politiche guidate da preoccupazioni per la sicurezza dell energia, l efficienza energetica e l ambiente, in discussione ma non ancor adottate e che potrebbero frenare la crescita della domanda di energia) l Agenzia Internazionale del Energia (2007) ha previsto che entro il 2030 le rinnovabili si assesteranno intorno al 14% del consumo globale di energia, ma la loro quota nel mix dell elettricità andrà dal 18 al 25% (fonte: weo/2007.asp). In Europa le energie rinnovabili hanno il più alto tasso annuale di crescita nel consumo totale di energia primaria, con una media del 3,4% tra il 1990 ed il 2005, anche se l uso attuale mostra una grande varietà nei diversi paesi, come mostrato nella Fig. 8 sotto riportata: 1,000 t.o.e Bulgaria Czech Republic Germany Ireland Greece Spain France Italy Latvia Netherlands Austria Romania Slovenia United Kingdom Fig. 8 Produzione di energia primaria da fonti rinnovabili nel 2006 (biomasse, geotermia, energia idroelettrica, eolica e solare in migliaia di T.E.P.) Fonte: sito Eurostat

20 Uso delle energie rinnovabili nell'industria Energia idroelettrica I mulini ad acqua sono stati uno primi esempi di sfruttamento di una forma di energia rinnovabile, utilizzando l energia dell acqua in movimento per far funzionare delle apparecchiature. Più tardi, la generazione dell elettricità è diventata pratica comune. Un impianto di produzione di energia idroelettrica con stoccaggio dell acqua tramite impianto di pompaggio rappresenta un consumo netto di energia, ma è una tecnologia utilizzata per immagazzinare energia generata in eccesso, per utilizzarla poi a tempo debito. L acqua viene pompata nei bacini di stoccaggio in quota di notte, quando il prezzo dell elettricità è minore e durante i picchi di consumo, quando il prezzo dell elettricità è maggiore, l acqua immagazzinata viene utilizzata per produrre energia elettrica. Dato che molte fonti di energia rinnovabile sono variabili, questa tecnologia è particolarmente utile per immagazzinare grandi quantità di energia. Energia eolica I mulini a vento, come quelli ad acqua, erano utilizzati di frequente in passato per far funzionare macchinari e strumentazioni, ma è ora più comune vedere impianti a turbina azionati dal vento per generare elettricità. Gruppi di turbine installati in alto mare sono particolarmente interessanti, perché non occupano superficie sul suolo ed hanno a disposizione una presenza più costante e consistente di vento. Occasionalmente, un industria può anche installare alcune turbine eoliche nel caso abbia superficie disponibile per l installazione. Energia solare Impianti fotovoltaici (PV) di dimensioni anche ridotte sono diventati comuni, particolarmente per fornire energia a singoli strumenti e macchinari, e collettori solari termici vengono utilizzati per soddisfare quote modeste dei bisogni di riscaldamento. Le applicazioni su larga scala sono rare, coinvolgono serie di specchi parabolici che concentrano la luce del Sole in un tubo contenente un liquido di trasferimento per il calore, ad esempio olio, poi utilizzato per far bollire l acqua che a sua volta, azionando un generatore, produce elettricità. L energia del mare: le onde e le maree Ad eccezione dell esplorazione in mare aperto e delle luci per la navigazione, questa applicazione è limitata alla produzione di energia elettrica per il consumo e per lo sviluppo della stessa tecnologia. Le dighe di contenimento delle correnti, come ad esempio l impianto di Rance in Francia, catturano l energia dell acqua che scorre dentro e fuori dei bracci di mare interessati. Il salire e lo scendere del livello dell acqua tra le maree fornisce l energia potenziale che si può catturare. Le correnti marine, che muovono vaste quantità di acqua, possono anche venire utilizzate per far girare turbine installate sotto il livello dell acqua stessa e che catturano l energia cinetica. E, ad esempio, il caso di Strangford Lough in Irlanda del Nord. Il movimento delle onde generato dal vento si può convertire in energia elettrica che viene poi trasportata fino agli utenti finali. Questi temi sono attualmente oggetto di molte attività di ricerca. Geotermia L energia geotermica viene spesso associata alle sorgenti calde, ai geyser ed all attività vulcanica, presenti ad esempio in Islanda o in Nuova Zelanda. Nel 1904, però, è stato costruito il primo impianto geotermico a vapore asciutto a Larderello in Toscana. L impianto di Larderello fornisce energia a circa un milione di famiglie. Le pompe di calore geotermiche sfruttano macchinari elettrici per estrarre il calore dal suolo nei pressi della superficie, a pochi metri di profondità. Fun- 16

21 zionano come i frigoriferi ed usano la grande massa termica del suolo per estrarre il calore, la cui temperatura viene incrementata dal circuito della pompa di calore ad un livello in cui può essere utilizzato per il riscaldamento. L utilizzo è limitato agli usi domestici. Biomasse Le materie prime vegetali possono essere coltivate apposta per venir utilizzate come fonte energetica tramite combustione per produrre energia termica oppure, con un processo di trasformazione, essere convertite in combustibili liquidi o gassosi o per generare elettricità. Le biomasse vengono spesso considerate una fonte di energia neutrale dal punto di vista delle emissioni di carbonio, poiché il carbonio rilasciato durante la combustione era stato precedentemente assorbito durante il ciclo di vita della pianta. Se si procede poi a piantare nuove colture, esiste la possibilità di ottenere un ciclo chiuso, per quanto andrebbero considerate anche le emissioni di metano conseguenti alla decomposizione del materiale vegetale. La piantumazione dedicata di alberi da utilizzare come combustibile è una tecnica utilizzata da secoli ed il loro uso moderno è soltanto un estensione della tradizione. Le biomasse presentano il vantaggio, rispetto ad altre forme di energia rinnovabile, che possono essere immagazzinate. Tuttavia sono state mosse critiche al fatto che coltivare piante per la produzione di combustibili può comportare il cambiamento di destinazione dei terreni altrimenti dedicati alla produzione di cibo, con le conseguenze di possibile scarsità di scorte alimentari e prezzi alti. Energia dai rifiuti I rifiuti possono essere utilizzati per fornire energia termica o elettrica. I rifiuti biodegradabili depositati nelle discariche producono naturalmente il biogas da discarica, che si può bruciare, e viene in genere utilizzato per produrre corrente elettrica, mentre il calore prodotto contestualmente viene in genere disperso. I liquami, gli scarichi fognari, compresi quelli provenienti dagli allevamenti, e gli scarti biodegradabili prodotti da birrerie, macelli ed altre industrie agroalimentari, possono essere naturalmente decomposti (digestione anaerobica) per la produzione di un combustibile ricco di metano. I rifiuti combustibili di origine domestica, commerciale ed industriale, ad esempio gli imballaggi, si possono bruciare in un inceneritore oppure in un forno da cemento, per la produzione di calore o di energia elettrica. Molte industrie non agro-alimentari, ad esempio gli impianti di produzione di carta e di mobili, producono ingenti quantità di materiali bio-degradabili o combustibili che si possono utilizzare come fonte energetica. Tuttavia, in tutti questi casi, va considerato se i rifiuti non rappresentino un esempio di inefficienza nel processo a cui andrebbe posto rimedio e, benché il materiale possa essere simile alle fonti rinnovabili, se questo non viene controbilanciato da nuove colture, si converte in emissioni di carbonio. I materiali di valore andrebbero separati dai rifiuti prima della combustione e andrebbe, inoltre, posta la massima attenzione per garantire che non si crei inquinamento dovuto alle emissioni gassose o agli scarichi in forma liquida. Domande: 1. Quali sono le più comuni fonti di energia nel vostro paese? Determinate il rapporto tra fonti rinnovabili e non rinnovabili, quindi suddividete queste ultime ulteriormente, indicando le varie fonti rinnovabili ed i combustibili fossili. Qual è la condizione degli altri paesi europei? 2. Come è la condizione del vostro e degli altri paesi europei per quanto riguarda i valori relativi a persona? (Lavorate in gruppi con un paese assegnato a ciascun gruppo della classe) Iniziate controllando i siti riportati più in basso. 17

22 Punti chiave: I punti chiave di questa sezione sono: L UE dipende ancora in maniera significativa dai combustibili fossili (il che causa preoccupazioni per le emissioni di gas serra) e molti di questi combustibili sono importati (il che causa preoccupazioni sulla garanzia della fornitura). Esiste un considerevole potenziale e viene riposto un grande interesse nelle energie rinnovabili, ma rimane ancora molto da fare in questo senso. Web links Il Portale Informativo sull Ambiente: action=select_variable&theme=6 Agenzia Europea dell Ambiente: Eurostat, pagina Ambiente e Energia: _pageid=0, ,0_ &_dad=portal&_schema=portal Segue: Nel Capitolo 3 parleremo di come questa energia primaria possa venire convertita in forme di energia trasportabili come l elettricità o combustibili quali il diesel o il bio-etanolo. 18

23 Capitolo 3: Trasformazione ed uso industriale dell'energia 3.1 Trasformazione dell energia (vettori di energia) Obiettivi didattici: In questa sezione parleremo di Come si trasformi l energia in forme più utili: combustibili liquidi ed elettricità Come un consumo ingente di energia in ambito industriale sia da inserire nel contesto del consumo totale di energia Quali siano i principali vettori ed utilizzatori di energia nell industria Tipologie di energia e vettori Il diagramma riportato sotto in Fig. 1 illustra i concetti di energia primaria, trasformazione, energia secondaria ed utilizzo finale. Fig. 1 Diagramma che illustra le trasformazione dell energia primaria (ad esempio carbone o vento) in energia secondaria (ad esempio elettricità) ed utilizzo finale per riscaldamento, illuminazione, motori, eccetera. Fonte: BREF UE (Note di riferimento sulle migliori tecniche disponibili) sull efficienza energetica Può risultare difficile trasmettere l energia primaria nella sua forma naturale. Le energie primarie vengono quindi convertite utilizzando processi di trasformazione per ottenere vettori di energia di più agevole utilizzo: l energia secondaria. L elettricità è la forma più comune di energia secondaria, prodotta da carbone, petrolio, gas naturale, vento, energia idroelettrica, eccetera in una centrale elettrica. La facilità di utilizzo dell elettricità come vettore di energia ha portato allo sviluppo di una rete di distribuzione per trasportare la corrente elettrica dalle centrali di produzione fino ai luoghi di utilizzo. L uso di energie rinnovabili, inoltre, ha favorito lo sviluppo di forme di produzione di energia più distribuite, pertanto la trasformazione di energia primaria in energia secondaria relativamente semplice da distribuire richiede sistemi più sofisticati. L elettricità si può trasportare, ma lo stoccaggio non è molto agevole. I combustibili liquidi, invece, sono facilmente stoccati e trasportati. Il greggio si può raffinare e trasformare nella gamma di combustibili che tutti conosciamo (diesel, benzina, eccetera) che possono a loro volta essere convertiti in energia termica - ad esempio in riscaldamento per i nostri edifici - oppure in energia meccanica - ad esempio nei mezzi di trasporto. Comunque, va ricordato che la raffinazione ed il trasporto consumano energia. Come vedremo in seguito, un industria può anche convertire elettricità o carburante in un altra forma di vettore di energia, come ad esempio l aria compressa o il vapore. Gli utenti finali dell energia possono utilizzare energia primaria o secondaria per fini svariati, quali l illuminazione, la locomozione, il riscaldamento, eccetera. 19

24 Produzione di carburanti I principali carburanti liquidi vengono prodotti per distillazione frazionata di greggio (un misto di idrocarburi e idrocarburi derivati che vanno dal metano ai bitumi pesanti). In genere i carburanti come il kerosene ed il diesel vengono utilizzati nell industria per il riscaldamento e per la produzione di vapore. La benzina ed il diesel, inoltre, sono il principali carburanti per il trasporto su strada e su rotaia. Il gas di petrolio liquefatto (GPL) è un gas liquefatto in condizioni di alta pressione per lo stoccaggio e la movimentazione che viene utilizzato nel riscaldamento e come carburante per mezzi di trasporto. I biocarburanti liquidi si possono produrre anche da materie prime biologiche. I materiali di origine biologica, siano essi coltivati appositamente o scarti di produzione, possono venire convertiti biochimicamente in carburanti quali metanolo, etanolo, esteri metilici (biodiesel) o eteri metilici. Sono stati inoltre condotti tentativi di ottenere questi carburanti da coltivazioni specifiche (agro-carburanti), ma è in corso un importante dibattito (cibo o carburante) sulla convenienza di questi processi si veda a riguardo il manuale sui trasporti per ulteriori approfondimenti ed occasioni di discussione. Produzione di elettricità L elettricità può venire prodotta utilizzando fonti rinnovabili, quali vento, energia idroelettrica, solare e geotermica, biomasse, ma la maggioranza viene prodotta utilizzando combustibili fossili o tramite reazioni nucleari, come mostra la Fig. 2 relativa alla produzione nei 27 paesi membri dell UE. La percentuale relativa di utilizzo di gas in UE è cresciuta in seguito alle sue caratteristiche di combustione pulita, ma sussistono continue preoccupazioni sulla garanzia delle forniture e sulle tariffe in costante aumento. Il contributo di energia rinnovabile alla produzione di elettricità nei singoli paesi è mostrato sotto Fig. 2 Produzione di elettricità utilizzando combustibili nei 27 paesi membri dell UE Fonte: sito in Fig. 3, in cui si evidenzia che si può fare molto meglio! Agenzia Europea dell Ambiente Fig. 3 Percentuale di energia rinnovabile nel consumo lordo di elettricità e 2010 indicano obiettivi da raggiungere per i paesi membri dell UE. Fonte: EEA, La maggior parte delle centrali di produzione di energia elettrica sono progettate per produrre esclusivamente elettricità. In generale, vi si bruciano combustibili fossili per produrre energia termica. Per l energia nucleare viene utilizzata una specifica tecnologia che permette di estrarre energia utilizzabile sotto forma di calore dal nucleo degli atomi tramite reazioni controllate di fissione. Questo calore, a sua volta, converte l acqua allo stato liquido in vapore pressurizzato che aziona una turbina e produce energia meccanica (di rotazione). Questa rotazione causa un movimento relativo tra campo magnetico e conduttore, e viene così pro-

25 dotta l elettricità. Dopo l azionamento della turbina, il vapore si trova a condizioni di pressione inferiori e viene fatto condensare con un raffreddamento esterno prima di essere riportato in forma condensata per far ricominciare il processo. Un aspetto critico di questa operazione è che l efficienza globale può essere piuttosto bassa: 40-50%. Il calore viene disperso tramite i gas di scarico che vengono rilasciati nell atmosfera e con la perdita di calore dall edificio e dalle attrezzature, ma ancora più importante, il calore viene trasferito al sistema di raffreddamento quando il vapore viene condensato. Questo raffreddamento è essenziale ed in estate, alcuni impianti europei hanno dovuto ridurre la produzione a causa dei limiti alla possibilità di raffreddamento. Un ulteriore 5-10% dell energia viene poi disperso nella trasmissione dell elettricità attraverso la rete di distribuzione. Centrali a ciclo combinato Un impianto a ciclo combinato è una centrale energetica in cui gas o un altro combustibile viene bruciato dapprima per azionare una turbina a gas, dopo di che i gas di scarico emessi vengono utilizzati a loro volta per produrre vapore. Anche se l efficienza è maggiore, l utilizzo è largamente limitato ad impianti di nuova costruzione e che hanno accesso a forniture di gas, per quanto altre fonti fossili, come ad esempio il carbone, possono essere gasificate ed utilizzate in questa tecnologia. Il bilancio termico globale viene mostrato nella figura seguente: Fig. 4 - Distribuzione di energia in un impianto di produzione a ciclo combinato. (Fonte : Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007) ) Centrali combinate termo-elettriche (in cogenerazione) Le centrali combinate di cogenerazione (CHP) sono impianti progettati per la produzione di calore ed elettricità. Questi impianti possono soddisfare soltanto la domanda interna (producono per il proprio consumo) oppure possono vendere calore ad impianti industriali e ad abitazioni localizzati nelle vicinanze con un sistema locale di riscaldamento ed esportare elettricità alla rete 21

26 di distribuzione. L utilizzo di impianti di cogenerazione CHP permette di ottenere un grado molto significativo di efficienza energetica, visto che livelli di efficienza generalmente inferiori al 50% per gli impianti che producono esclusivamente elettricità vengono portati al 75% per gli impianti CHP, come mostrato in Fig. 4. Tuttavia, come si può vedere in Fig. 5, l utilizzo di questi sistemi è limitato in molte aree d Europa. Fig. 5 Efficienza nella trasformazione di energia Fonte: sito dell Agenzia Europea dell Ambiente Fig. 6 Percentuale di produzione combinata di calore ed elettricità nella produzione lorda di elettricità nel Fonte: sito Eurostat Domande: Quali sono le modalità più comuni utilizzate per la produzione di elettricità nel vostro paese? Quanta elettricità (in GWh e come percentuale sul totale) viene generata con l utilizzo di fonti rinnovabili nel vostro paese? Qual è il rapporto con altri paesi europei? 22

27 Bilanci energetici nazionali ed intensità energetica Bilanci energetici Caso Studio: Un bilancio energetico nazionale Considerate il seguente diagramma che illustra il flusso di energia in Irlanda. Questo tipo di diagramma si chiama diagramma Sankey. L ampiezza delle frecce è proporzionale alla grandezza dei flussi di energia. L energia primaria fornita deve bilanciare l energia consumata. Si possono fare velocemente alcune osservazioni: L Irlanda è un paese che dipende dai combustibili fossili, senza energia nucleare e scarse energie rinnovabili. La maggior parte dell energia viene consumata dai trasporti, mentre la domanda energetica dell industria è relativamente bassa. Fig. 7 Flusso di energia in Irlanda nel 2005 Fonte: Efficienza energetica in Irlanda Energia sostenibile in Irlanda (2007) Domande: Ottenete dati simili per il vostro paese e tracciate il corrisponderete diagramma di Sankey. Quale percentuale di energia viene fornita da fonti non rinnovabili? Quale percentuale di energia primaria viene dispersa nella trasformazione? Quale è la percentuale del consumo energetico nell industria nel vostro paese? Calcolate la quantità di energia utilizzata a persona (intensità energetica) nel vostro paese. Conoscendo il mix di combustibili, qual è l intensità di carbonio (quantità di carbonio utilizzato per persona)? Avrete bisogno di informazioni addizionali sulle quantità di carbonio associate a petrolio, gas e carbone. Qual è il rapporto con la media europea? Suggerimento: consultate il sito Eurostat. 23

28 Intensità energetica Cosa ci dicono i numeri? L intensità energetica è una misura del totale dell energia consumata in rapporto all attività economica. Il consumo totale di energia nei 27 paesi membri dell UE è cresciuta ad un ritmo annuale appena superiore allo 0,8% nel periodo , mentre il Prodotto Interno Lordo (PIL una misura economica) nei prezzi costanti è cresciuto ad un ritmo annuo del 2,1% nel corso dello stesso periodo. Il risultato è che l intensità energetica totale nei 27 paesi membri dell UE è caduta ad un tasso medio di -1,3% l anno. Questo risultato apparentemente positivo viene descritto nella Fig. 8 riportata sotto: Fig. 8 - Intensità energetica totale nei 27 paesi membri dell UE nel periodo , in cui 1990=100 Fonte: Eurostat ed Agenzia Europea dell Ambiente In ogni caso, dobbiamo tener conto del fatto che l aumento percentuale annuo dello 0,8% nel consumo di energia si somma ad un aumento generale del 12% nella domanda energetica. In termini economici, possiamo forse essere più efficienti nell utilizzare meno energia per produrre un risultato economico, ma la pressione sull ambiente è ancora cresciuta. Per ottenere un immagine migliore dell impatto, va considerato il mix dei combustibili utilizzati e come esso vari da paese a paese ed in particolare l importanza della dipendenza da fonti non rinnovabili. Questo ci dà una misura nota come intensità di carbonio o impronta di carbonio, che riflette l ammontare di carbonio emesso a persona per ciascun paese. In ogni caso è bene ricordare che dobbiamo sempre prestare la massima attenzione nell utilizzo dei dati statistici. Esercizio: Considerate il grafico che segue (Fig. 9) che descrive il consumo energetico nazionale totale. Ridisegnatelo sulla base della popolazione, vale a dire del consumo energetico pro capite della popolazione. 24

29 Fig. 9 Consumo energetico finale nei paesi membri nel 1995 e nel 2006 (Fonte: sito Eurostat) Tabella 1 Consumo energetico finale /in migliaia di T.E.P.) nei paesi membri nel 1995 e nel dati di riferimento per la Fig. 9 riportata sopra (Fonte: sito Eurostat) Questi dati probabilmente non riflettono il comportamento nei confronti dell energia degli individui, ma piuttosto la natura dell industria, le modalità di trasporto ed il consumo domestico nel paese e le particolari condizioni economiche. Weblinks : Agenzia Europea dell Ambiente: Eurostat, pagina Ambiente e Energia: _pageid=0, ,0_ &_dad=portal&_schema=portal Segue: Nella sezione che segue parleremo di come l energia venga consumata dall industria come parte del consumo totale di energia e, più in generale, per quali finalità tale energia venga utilizzata. 25

30 3.2 Utilizzi finali dell'energia nell'industria I principali utilizzi finali di energia nell industria sono: Termico Elettrico Forni Riscaldamento Raffreddamento Refrigerazione Cottura in forno Asciugatura Riscaldamento e raffrescamento degli ambienti, inclusa la ventilazione Motori Pompe Ventole Nastri trasportatori Operazioni di macinatura, molitura, triturazione Processi industriali di lavorazione, sagomatura, manifattura Sistemi sottovuoto Illuminazione Tabella 1: Principali utilizzi finali dell energia Più dell 85% dell elettricità utilizzata nell industria viene consumata dai motori elettrici. Essi convertono l energia elettrica in energia meccanica, facendo funzionare pompe, ventole, nastri trasportatori, compressori, eccetera. I motori sono spesso in funzionamento per molte ore ed hanno un periodo di utilizzo di molti anni, quindi scegliere motori ad alta efficienza e garantire che vengano ben utilizzati è cruciale per minimizzare il consumo di elettricità. L illuminazione è un'altra voce di consumo molto significativa nell industria. I cambiamenti necessari a ridurre i consumi si possono realizzare facilmente e comprendono garantire che i livelli di illuminazione siano appropriati per le operazioni da compiere e installare sistemi di illuminazione che garantiscano più luce utile per unità di energia utilizzata. I circuiti di refrigerazione usano un fluido di raffreddamento che sottrae il calore latente. Di norma questo fluido viene poi pressurizzato e condensato per il suo riutilizzo. L energia per la pressurizzazione del fluido è di solito fornita dall elettricità tramite un motore elettrico. Ventole e compressori rispondono ad esigenze di ventilazione ed alle necessità legate ai processi produttivi. Estraggono l aria dagli edifici ed introducono aria fresca dall esterno. Gli impianti di condizionamento dell aria che utilizzano gas refrigeranti vengono utilizzati anche per controllare le condizioni di umidità e di temperatura all interno di un edificio. Funzionamento delle caldaie Obiettivi didattici: In questo capitolo parleremo di:: Cosa sia una caldaia Dove si verifichino le dispersioni Come si possano evitare le perdite ed incrementare l efficienza Definizione Una caldaia è un macchinario che utilizza calore per produrre acqua calda o vapore. Di norma si utilizza un combustibile fossile come fonte di energia. Se la caldaia è molto piccola si può utilizzare anche l elettricità. Come avete appreso in precedenza nello svolgimento di un esercizio, il vapore contiene calore latente che fa evaporare l acqua ed è un vettore di calore più concentrato di un liquido caldo. Il vapore può venire utilizzato anche per il riscaldamento (incluse evaporazione e distillazione) ed anche per far funzionare attrezzature meccaniche, quali compressori a centrifuga e turbine a vapore che possono far funzionare macchinari o venire utilizzate per generare elettricità. Dopo che il vapore si è condensato, di solito viene riportato nella caldaia per evitare di disperdere l acqua ed il calore residuo nel liquido stesso. 26

31 Fig. 1 Vista in sezione di una caldaia a gas (1) Le categorie principali nell incremento dell efficienza energetica sono le seguenti: In Fig. 1 si può osservare il flusso dell energia in una caldaia. Le perdite più significative si hanno nei gas di combustione. Radiazione, convezione e calore disperso nella fase di scarico dei gas sono tra il 3 ed il 4% Fig. 2: Tipico bilancio energetico di una caldaia (eseguito con Sankey Editor da STENUM) (2)] 27

32 Programma di incremento dell efficienza di una caldaia Definire i bisogni di riscaldamento presenti e a breve termine e le relative necessità in termini di relativo impianto caldaia Definire il divario: ricercare e classificare le opzioni di miglioramento INIZIO Definire lo stato attuale ed eseguire la verifica del sistema caldaia Definire obiettivi di miglioramento e traguardi (ad esempio aggiornamento dell impianto e delle attrezzature, efficienza, controlli, misurazione della performance, emissioni, eccetera) Rivedere i risultati e cercare un continuo miglioramento Definire il piano di implementazione ed iniziare ad implementare Fig. 3 Programma di miglioramento dell efficienza della caldaia (2) Un approccio sistematico per migliorare l efficienza delle caldaie, piuttosto che miglioramenti non sistematici comprende alcuni semplici passi come mostrato in Fig. 3. Per quanto importante possa essere il funzionamento economico ed efficiente del sistema caldaia, questo non va esaminato in maniera isolata. Quanto segue va controllato per ulteriori opportunità di risparmio e di recupero energetico: I bisogni di riscaldamento e gli aspetti legati all efficienza energetica di processi, prodotti ed attrezzature che utilizzano calore; I sistemi di distribuzione del calore (ad esempio il vapore e la condensazione). Le perdite di calore e di energia in un sistema caldaia si possono ridurre in molti modi diversi. Alcuni, come la cogenerazione di calore ed elettricità sono sofisticati e complessi; altri si possono facilmente realizzare ed offrono un buon ritorno. Le priorità per migliorare l efficienza energetica sono le seguenti: Diminuire la pressione del vapore del sistema o la temperatura dell acqua Evitare le perdite Mantenere la caldaia pulita. Eccetto il gas naturale, praticamente ogni tipo di combustibile lascia una certa quantità di deposito nel sistema. Nota: Ricordate, un millimetro di incrostazione può far aumentare il consumo di combustibile del 2% Tenere fuori l aria indesiderata Eliminare l acqua equivale a gettare denaro Perfino l acqua trattata (demineralizzata) introdotta nella caldaia contiene piccole quantità di sali minerali disciolti Massimizzare il ritorno di condensato caldo. Fig. 4 Fuga di vapore Un sistema a vapore e condensato deve essere appropriatamente progettato per eliminare il colpo di ariete e ridurre le perdite e la manutenzione Gas di scarico 28

33 Nota: Una riduzione della temperatura dei gas di scarico di 20 C comporta un miglioramento nell efficienza della caldaia dell 1% circa Domande: Dove si trovano le perdite principali di un sistema caldaia? Quali possibilità possono migliorare l efficienza ed evitare le perdite? Esempi recenti: Un impianto chimico risparmia dollari l anno monitorando e sostituendo quando necessario tutte parti delle tubazioni che perdono. Un impianto per la produzione del compensato ha ridotto il carico di vapore di kg/ ora ammodernando l isolamento delle tubazioni. Esecizio: 1. Molto probabilmente la vostra scuola ha una caldaia per riscaldare l acqua e per il riscaldamento dei locali in inverno. Controllate con i responsabili se è possibile organizzare una visita al locale caldaia, magari in estate quando la caldaia viene pulita o viene eseguita la manutenzione. Controllate i comandi della caldaia, le spie, il bruciatore, le tubazioni e la canna fumaria. 2. Pianificate una visita ad un azienda. Cercate di individuare risposte alle seguenti domande: Qual è la temperatura dei gas di scarico? Qual è la pressione del vapore (in bar)? Chi utilizza il vapore? Qual è la distanza tra caldaia ed utilizzatore del vapore? Le tubazioni sono isolate? Ci sono perdite evidenti? Quanta energia viene inserita nella caldaia? Sulla base della Fig. 2, Tipico bilancio energetico di una caldaia, sarete in grado di calcolare le perdite. Ventole e compressori Obiettivi didattici: In questa sezione parleremo di I tre semplici criteri per verificare se un motore è efficiente Una procedura che aiuta le aziende a migliorare i consumi dei motori Importanti consigli per il risparmio energetico relativi ad un sistema di tubazioni, illustrati con un esempio. Motori efficienti dal punto di vista energetico La pertinenza delle misure viene controllata con una semplice analisi. Come riferimento vengono utilizzati i cosiddetti costi del ciclo di vita, vale a dire il totale dei costi di investimento e manutenzione e dei costi legati all energia per l intero ciclo di vita utile del motore, di norma della durata di 10 o 20 anni. Nel cosiddetto test 1-2-3, tre criteri sono rilevanti: l età del motore, le ore annue di funzionamento, l efficienza media. 29

34 Criterio 1: Età del motore. L anno di fabbricazione si può ricavare dalla targhetta di identificazione oppure può essere richiesto al produttore, per cui è necessario il codice del modello. Criterio 2: Potenza nominale. Si può trovare anche questa sulla targhetta di identificazione. Criterio 3: Ore di funzionamento. Il consumo energetico si può calcolare ricorrendo a supporto tecnico o leggendo il contatore del tempo di funzionamento. Procedura: Dovrete assegnare un valore compreso tra 1 e 5 a ciascuno dei seguenti fattori: età, potenza nominale ed ore di funzionamento. La rilevanza delle misurazioni per il motore preso in esame vengono stabilite calcolando la somma dei tre valori. Tabella 2 Test (efficienza del motore) (4) Risultati secondo la tabella 2 Area rossa: se il punteggio è superiore a 10, è consigliabile procedere velocemente alla sostituzione del motore Area gialla: se il punteggio è tra 6 e 10, controllare il motore Area verde: se il punteggio è inferiore a 6, nessuna misura è necessaria Le tabelle seguenti vi daranno una scala di valutazione per i tre criteri: Il risparmio energetico sui consumi elettrici non si ottiene semplicemente sostituendo i motori con modelli nuovi e maggiormente efficienti. Con questa misura si può riuscire a realizzare solo una piccola parte del potenziale. La seguente procedura è consigliata per ottimizzare il consumo di energia. Fase 1: Analisi dei consumi Questa fase è la più importante per il massimo risparmio energetico. Analizzate attentamente le necessità legate al processo, discutete ed individuate i parametri rilevanti con le persone responsabili di esso. Quindi individuate la variazione dei consumi richiesta dal processo attraverso una discussione o effettuando delle misurazioni. Le misurazioni si devono eseguire prima che il processo venga ottimizzato, poiché la variazione relativa dovrà essere la stessa anche dopo l ottimizzazione a meno che l analisi non mostri che il processo stesso non è il migliore possibile e che l idea di base va cambiata. Fase 2: Analisi del macchinario che fornisce il vettore Il vettore utilizzato per il processo può essere: vapore, aria compressa, aria, acqua, eccetera. Le domande da porre sono: Le dimensioni del macchinario sono adeguate al consumo o è troppo grande? Nel secondo caso, il macchinario (pompa, ventilatore, compressore, eccetera) funziona a 30

35 carico parziale, con efficienza ridotta. Fase 3: Controllo appropriato del macchinario I parametri dei mezzi variano a seconda delle effettive condizioni in cui si svolge il processo. Quindi il funzionamento del macchinario deve essere adattato in maniera ottimale alle reali necessità. Di regola, si tratta di funzionamento regolato dalla frequenza per pompe e compressori. Fase 4: Ottimizzazione del motore elettrico Esistono tre importanti regole per questa fase: a) adattamento ottimale delle dimensioni del motore alla potenza effettiva rilevata; b) l efficienza del motore deve essere al suo massimo e c) il controllo deve essere adattato alle caratteristiche del consumo. Descrizione di base di un sistema di tubazioni La descrizione di base di un sistema può essere fatta utilizzando i seguenti dati da apposite targhette, schede tecniche o con semplici misurazioni. Nella maggioranza delle aziende, la gran parte di questi dati si possono ottenere chiedendoli ai dipendenti: 1. Lista delle 50 pompe più grandi (per potenza nominale) 2. Funzione di questi sistemi 3. Consumo di energia di ciascuna delle pompe 4. Gamma di operazioni (in una giornata/settimana) 5. Ore di funzionamento annuali e relativo consumo energetico annuo 6. Problematiche specifiche e necessità di manutenzione Esempio di sistema di tubazione: Un sistema di pompaggio ha la necessità che 50 m 3 /ora di acqua vengano pompati attraverso un tubazione delle lunghezza di 100 m. Considerando un diametro di 2 pollici, la necessità di energia è di 24 kw. Se il diametro viene aumentato a 4 pollici, la necessità viene ridotta a 5 kw. Il decremento nella velocità all interno del sistema ha come effetto una riduzione significativa nel consumo energetico e di acqua. La manutenzione ed i costi legati al ciclo di vita del sistema di pompaggio, inoltre, vengono ridotti. Esperimento Considerate una visita ad un azienda in cui troverete molti motori elettrici (non dimenticate le pompe per l acqua e la pompa dell impianto di riscaldamento). Ecco un esperimento interessante per voi: Fate una lista dei motori e delle pompe equivalenti Fate una lista della capacità di ciascun motore o pompa (individuare le caratteristiche del macchinario per kw) Fate una lista delle ore di funzionamento (moltiplicate i giorni di funzionamento per le ore di funzionamento al giorno) per ciascun motore o pompa Tabella 3: prendiamo ad esempio I dati di un concessionario di auto: Componente Numero di Capacità per Capacità Ore di funzio- kwh Ponte di sollevamento Compressore

36 Aria compressa Domande: vero o falso: Se il punteggio del test è tra i 6 e i 10 punti, tutto è in regola e non dovete far nulla E essenziale completare una lista dei consumi (kwh) per ciascun utilizzatore E essenziale comparare la capacità del componente in questione con la capacità effettivamente necessaria. Comprare un motore nuovo ogni anno è assolutamente necessario Un importante criterio da considerare è l etichetta del componente. Solo i motori più grandi e costosi sono davvero i migliori. Obiettivi didattici: In questo paragrafo parleremo di: Cosa sia l aria compressa e dove venga utilizzata Dove si riscontrino le perdite principali Come si possa migliorare il sistema ad aria compressa Definizione: L aria compressa si usa per fornire energia a macchinari pneumatici e per azionare alcune attrezzature specifiche. Di norma, i compressori vengono azionati da motori elettrici, ma i compressori molto grandi possono anche funzionare a vapore o con turbine a gas ed i piccoli macchinari portatili a benzina o diesel. I compressori sono macchinari inefficienti e fino al 90% dell energia utilizzata può venire dispersa sotto forma di calore. L aria compressa è conservata in un serbatoio che funziona da riserva e fornisce la rete preposta alla distribuzione e mantenuta in condizioni di pressione superiore a quella atmosferica ed a cui sono collegati gli strumenti. Nella Fig. 5 si possono osservare le fonti delle perdite. Solo il 5% dell energia totale viene immagazzinata nell aria compressa. Il 95% dell energia viene convertito in calore (anche le perdite meccaniche si trasformano in calore). Fig. 5 Bilancio energetico di un compressore (eseguito con SankeyEditor by STENUM) (3) Il risparmio potenziale realizzato ottimizzando un compressore sono illustrate in Fig

37 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% savings consumption 30% 20% 10% 0% current state leaks reduced superordinated control whole machine optimised Fig. 6 Risparmio energetico sistema ad aria compressa (3) La seguente procedura permette di minimizzare le perdite nei sistemi ad aria compressa. Si tratta di 4 fasi: 1 Evitare le dispersioni Una delle modalità fondamentali per migliorare l efficienza di qualunque installazione ad aria compressa è la riduzione delle perdite. Per quanto ogni sforzo andrebbe profuso per mantenere un sistema ad aria compressa a prova di perdite, tutti i sistemi ne hanno qualcuna. Esistono però diverse strategie per ridurre l insorgenza di perdite: Dove cercare le perdite Pozzetti per il condensato, raccordi, condutture, flange, collettori, filtri, cilindri, tubazioni flessibili, strumentazioni, attrezzature e punti di drenaggio. 2. Non generare una pressione più alta del necessario quanto più alta la pressione, tanto più aria fuoriuscirà da un foro di un certo diametro. 3. Non tenere il sistema in pressione nelle ore in cui non viene utilizzato soltanto perché alcuni macchinari necessitano di fornitura costante di aria compressa. Isolare le parti del sistema che richiedono aria compressa in momenti differenti. Le valvole di isolamento si possono far funzionare manualmente o in modalità automatica con l utilizzo di un semplice sistema di controllo, ad esempio con l impiego di interruttori a tempo e dispositivi di bloccaggio, oppure possono essere controllate tramite il sistema di gestione dell energia installato nell edificio, se esistente. Recupero del calore Dall 80 al 93% dell energia elettrica utilizzata da un compressore industriale viene convertita in calore. In molti casi, un sistema di recupero del calore appropriatamente realizzato può arrivare a recuperare dal 50 al 90% dell energia termica disponibile e riutilizzarla per il riscaldamento o la produzione di acqua calda. Tabella 4: Dispersioni di energia dovute a perdite 33

38 Esercizio Considerate una visita ad un azienda dei dintorni dotata di un sistema ad aria compressa (ad esempio un laboratorio di verniciatura, una falegnameria). Compilate una lista degli attrezzi che utilizzano aria compressa: Riuscite ad identificare perdite? Utilizzate la tabella (tabella 3) per stimare i consumi di elettricità dovuti alle perdite. L azienda recupera il calore prodotto? Riuscite a stimare il potenziale di calore che può essere recuperato? Fate riferimento alla Fig. 5 _ Bilancio energetico. Punti chiave I punti chiave di questa sezione sono: Gli impianti di produzione di energia che generano soltanto elettricità sono relativamente inefficienti (hanno un efficienza inferiore al 50%). Gli impianti che producono calore utilizzabile oltre all elettricità sono molto più efficienti. Le energie rinnovabili vengono utilizzate ancora per una proporzione modesta, ma in crescita, della produzione totale di elettricità. Il consumo energetico dell industria è una parte importante del consumo energetico di un paese. L energia viene utilizzata nell industria in molti modi differenti e per scopi diversi. Liquidi di raffreddamento e riscaldamento L acqua fredda e calda è il fluido termico utilizzato con maggiore frequenza per raffreddamento e riscaldamento. Altri fluidi termici sono, ad esempio, il glicole (una miscela di acqua ed alcol utilizzata per il raffreddamento) e l olio (minerale o silicone per riscaldamento e raffreddamento). Il vantaggio dei fluidi termici diversi dall acqua è che questi offrono una gamma di temperature di utilizzo Fig. 1 Sistema chiuso di raffreddamento molto maggiore. Si possono raffreddare al di sotto degli 0 Celsius senza che congelino e riscaldare al di sopra dei 100 senza che inizino a bollire (o ad aumentare la pressione in un sistema chiuso). Queste proprietà rappresentano un vantaggio nelle industrie che utilizzano temperature di lavorazione inferiori agli 0 o superiori ai 100 C. Miglioramenti dell efficienza Il processo di raffreddamento e riscaldamento può essere reso maggiormente efficiente adottando le seguenti azioni: - Pulizia regolare e disincrostazione riducono le perdite nel pompaggio. - L energia recuperata dai fluidi termici può venire utilizzata altrove nel processo. - La coibentazione delle tubazioni riduce le dispersioni di calore. 34

39 Riferimenti: [1] Meilner Mechanical Sales, Inc. [2] Dockrill P., Friedrich F., Federal Industrail Boiler Program, Natural Resource Canada, CANMET Energy Technology Centre, 1 Haanel Drive, Nepean ON K1A 1M1, Boilers and Heaters: Improving Energy Efficiency, Catalogue No: M92-299/2001E, 2001 [3] Initiativ Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe [4] Top Motors [5] Heat Recovery with Compressed Air Systems factsheets/factsheet10.pdf Web links:

40 Chapter 4: Gestione dell energia Obiettivo didattico: In questa sezione parleremo di: Cosa sia un sistema di gestione dell energia, per quali motivi venga utilizzato e come funzioni. Aziende di tutti i tipi sono ultimamente sempre più preoccupate di raggiungere e dimostrare un buon livello di cura e rispetto per l ambiente attraverso l adozione di politiche volte a controllare l impatto che le loro attività, i loro prodotti e servizi hanno sull ambiente. Per essere efficaci, tali politiche devono essere condotte nel contesto di un sistema strutturato di gestione dell energia, ben integrato all interno dell organizzazione aziendale. I relativi standard internazionali hanno l obiettivo di fornire alle organizzazioni tutti gli elementi necessari a creare un efficace sistema di gestione che le assista nel raggiungere i propri obiettivi ambientali ed economici. Un sistema di questo tipo permette ad un organizzazione di sviluppare politiche, stabilire obiettivi e procedure per raggiungere gli impegni prefissati, attivarsi secondo le necessità del caso con l obiettivo di migliorare la propria performance. Le aziende, inoltre, devono attenersi agli standard, altrimenti non ottengono una certificazione. L obiettivo generale di un sistema di gestione è sostenere la qualità, favorire la protezione dell ambiente e rispondere alle necessità socio-economiche. Definizione: ISO 9001: Gestione della qualità ISO 14001: Gestione ambientale ISO 16001: Gestione dell energia 1.ISO 9001: Si tratta di uno standard internazionale che fissa i parametri che garantiscono ai clienti la qualità che questi si aspettano di trovare 2.ISO 14001: Un sistema di gestione ambientale è una gamma di procedure e pratiche che permettono ad un organizzazione di ridurre il suo impatto sull ambiente ed aumentare l efficienza operativa. ISO 16001: L obiettivo generale di questo standard è assistere le organizzazioni a stabilire sistemi e procedure necessari per migliorare l efficienza energetica. Questo dovrebbe portare a riduzioni nei costi e nelle emissioni di gas serra attraverso la gestione sistematica dell energia. Ma per quale motivo un azienda dovrebbe implementare un sistema di gestione? Nelle Fig. 1 si può trovare la risposta esistono, infatti, diversi motivi a sostenere l implementazione di un sistema di gestione (EMS). Nota: In generale tutti i sistemi di gestione consistono di pochi elementi importanti che sono pressoché identici. Ci occuperemo di questi elementi nel prosieguo del presente manuale. Volgiamo adesso la nostra attenzione alla gestione dell energia 36

41 Competitività Miglioramento di immagine e pubblicità Vantaggio competitivo sul lungo periodo Trasparenza nel processo decisionale Minimizzazione dei costi Identificazione di materiali e del potenziale di risparmio energetico EMS Minimizzazione dei rischi Osservanza delle leggi Riduzione del rischio di incidenti Identificazione dei punti deboli Miglioramento organizzativo Protezione ambientale sistematica Controllo ambientale Consapevolezza ambientale Motivazione del personale Fig. 1 I vantaggi di un sistema di gestione per le aziende[1] Obiettivi di un sistema di gestione dell energia L obiettivo primario di un sistema di gestione dell energia è ottenere una performance energetica di maggior livello. L organizzazione identificherà periodicamente opportunità di miglioramento e controllo dell implementazione. Il grado, l estensione e la scala temporale del processo di miglioramento continuo vengono determinati dall organizzazione alla luce delle circostanze economiche e di altri fattori pratici, quali ad esempio le dimensioni dell organizzazione, l intensità energetica delle sue attività, i cambiamenti nella produzione. Nota: Ecco alcune domande importanti per l azienda: Quali vettori energetici vengono utilizzati? (energia elettrica, gas naturale, carbone, eccetera) Quale vettore è predominante? Una parte dei consumi energetici sono sostenuti da energie alternative? (energia elettrica, energia solare o eolica, biomasse, geotermia, eccetera) Quali sono le dimensioni della domanda energetica su base annuale o giornaliera? Come arriva sul posto l energia? (rete pubblica di distribuzione, tubazioni proprie - ad esempio: gas naturale - trasporto su ruote o via nave - ad esempio: carbone o kerosene) Quali sono le dimensioni dei costi energetici su base annua o giornaliera? Quali aree consumano l energia? Quale area ha più bisogno di energia? Quali sono stati i cambiamenti nei costi dell energia nel corso degli ultimi anni? Quali piani ha l azienda per le future forniture di energia? Quali sono le dimensioni della produzione? Parallelamente, quali sono i centri di ulteriore consumo energetico (ad esempio illuminazione, riscaldamento, mensa aziendale, eccetera) 37

42 Esercizio Provate a rispondere a queste domande con riferimento alla vostra scuola! Parlate ai responsabili ed intervistate il dirigente scolastico, utilizzando queste domande. Elementi di un sistema di gestione dell energia In Fig. 2 vengono illustrate le fasi principali di un sistema di gestione dell energia: L obiettivo di un sistema per la gestione dell energia è migliorare l efficienza energetica e non ricadere nei vecchi livelli di inefficienza per il futuro. Questo dovrebbe portare a riduzioni nei costi e nelle emissioni di gas serra attraverso una gestione sistematica dell energia. I parametri per un sistema di gestione dell energia sono descritti dettagliatamente negli standard internazionali (ISO 14001, ISO 16001). Le sezioni seguenti forniscono un descrizione dei singoli passi per la gestione del sistema in dettaglio. Fig. 2 Ciclo della gestione dell energia. Esercizio: Cercate in internet documenti relative agli standrd ISO o EMAS. Domande: Avete mai considerato quanta carta utilizzate in un solo giorno a scuola o a casa? Come si può evitare il consumo di carta? Come si possono organizzare le relative idee per creare un programma valido per tutta la scuola? Quali centri di consumo elettrico sono presenti nella vostra scuola? Quali sistemi di gestione conoscete? Quali sono i loro contenuti? POLITICA ENERGETICA Energy policy La politica energetica è una dichiarazione scritta che l azienda intende risparmiare energia ed impegnarsi per il continuo miglioramento dell azienda e l osservanza delle leggi vigenti. Questa politica energetica aziendale dovrebbe avere la forma di una dichiarazione ufficiale e disponibile per la consultazione da parte del pubblico relativa agli impegni che l organizzazione prende per raggiungere gli obiettivi di gestione energetica e per ridurre le emissioni legate all energia. Nota: La politica energetica deve: Essere disponibile in forma scritta; Essere firmata ed approvata dalla direzione; Fornire una quadro di riferimento per la definizione degli obiettivi ambientali; Essere aggiornata; Essere comunicata a tutto il personale; Essere accessibile al pubblico. 38

43 Domande Come andrebbe strutturata una politica energetica? Cercate aziende produttrici di carta (nella vostra zona) in internet. Queste aziende sono certificate secondo gli standard ISO o ISO 16001? L azienda presenta la propria politica ambientale/energetica sul sito aziendale? Cercate di individuare la politica ambientale/energetica dell azienda. La vostra scuola ha una politica (ad esempio in relazione alla minimizzazione dei rifiuti, al risparmio idrico o alla riduzione dei consumi energetici? Case Study: Fig. 3 Politica energetica (Star Paper Mills Ltd) (2) Traduzione: POLITICA ENERGETICA La Star Paper Mills Ltd di Saharanpur si impegna ufficialmente ad intraprendere un sistema di gestione dell energia ed a ridurre il consumo energetico attraverso l adozione delle seguenti misure: Migliorare le procedure, il funzionamento e la manutenzione con l obiettivo di ridurre i consumi di energia. Ridurre gli sprechi e migliorare la produttività per minimizzare il consumo energetico per unità. Ridurre il consumo di carbone cercando alternative per generare vapore, utilizzando scarti delle lavorazioni in agricoltura ed altri rifiuti solidi generati all interno dell impianto. Creare consapevolezza attraverso corsi e seminari per diffondere il risparmio energetico. 39

44 Pianificazione PIANIFICAZIONE Nota: La pianificazione riguarda i seguenti aspetti: Aspetti ambientali Aspetti legali ed altri parametri (leggi, decreti, singoli atti giuridici, accordi volontari ed obblighi, richieste da parte dei clienti o di altre terze parti e considerazione di esse); Obiettivi e traguardi: fissare obiettivi e traguardi fornisce i mezzi per trasformare la politica in azioni concrete. I traguardi energetici assicurano che l azienda abbia parametri di successo ben definiti in maniera che possano essere misurati i progressi fatti verso un miglioramento dell efficienza energetica. La gestione dell energia per avere successo deve essere basata su di una buona pianificazione: Fig. 4 Fasi importanti per la pianificazione Le analisi di input ed output (analisi dei flussi dei materiali e dell energia) porta agli obiettivi e gli obiettivi alle misure. La trasparenza in materia di flussi dei materiali fornisce una base per la sensibilizzazione e la creazione di consapevolezza. Strumenti come le analisi di input ed output, dei flussi di materiali e dei flussi di energia costituiscono la base per un sistema informativo che permette di determinare l efficienza dei flussi di materiali ed energia e l efficacia delle misure adottate. Ciò le rende strumenti validi per la misurazione dei veri miglioramenti della performance ambientale. Input - Output Fig. 5 Principi di analisi di input e output 40

45 Il primo passo nell analisi iniziale è l identificazione delle aree di significativo consumo energetico. In Fig. 5 si può vedere una descrizione generale dell input e dell output nell industria. Prima di tutto l azienda deve avere un idea della quantità e della natura del consumo energetico. La revisione energetica includerà i consumi energetici passati e futuri. Il grado di dettaglio dipende dalle dimensioni dell organizzazione e dal consumo energetico, ma l analisi deve includere come minimo gli input di energia (elettricità, petroli, gas naturale o altro) e le stime degli utilizzi finali (asciugatura, pompaggio, condizionamento dell aria, illuminazione o altro). Le tendenze nell utilizzo dell energia negli anni precedenti andrebbero riviste e costituire la base per stabilire degli obiettivi. Le informazioni già disponibili andrebbero utilizzate nella revisione, ad esempio si dovrebbero considerare i conti per la fornitura di energia, le letture dei contatori, le relazioni sulla gestione energetica degli edifici, o altre informazioni esistenti. Spesso le opportunità maggiormente significative per migliorare la performance energetica derivano da misure di gestione interna prive di costi, ad esempio insistere perché il personale spenga Caso studio: Un esempio di revisione annuale di una cartiera (M-real Stockstadt GmbH) Fig. 6 Revisione di input ed output(3) 41

46 i macchinari che non vengono utilizzati, promuovere la consapevolezza dell efficienza energetica nelle pratiche di lavoro, eccetera. L azienda dovrebbe aggiornare la revisione su base annua. Le revisioni dovrebbero per quanto possibile essere basate su misurazioni reali e prendere in considerazione i cambiamenti all interno dell azienda, quali l espansione della produzione, le modifiche degli impianti, i cambiamenti organizzativi, eventuali qualifiche del personale. Andrebbero inoltre analizzate le tendenze nel consumo energetico degli anni precedenti. Esercizio: Provate a portare a termine un analisi di input ed output nella vostra scuola Fate una lista del numero di componenti simili (luci, computer, eccetera) Fate una lista della capacità di ciascun componente (individuate le caratteristiche del componente per kw) Fate una lista delle ore di funzionamento (moltiplicate i giorni di funzionamento per le ore di funzionamento quotidiano) di ciascun componente Quindi chiedete al dirigente scolastico di dirvi quale sia il consumo energetico della vostra scuola (ad esempio su base annua). Comparate i dati calcolati con i dati forniti dal preside. Sono quasi coincidenti oppure esiste un divario sostanziale? Anche se non avete compilato una lista completa di tutti i componenti che consumano energia nella vostra scuola, potete comunicare al dirigente scolastico quanta energia viene consumata da quei componenti di cui avete calcolato i consumi. Obiettivi Prima di tutto l azienda deve fissare degli obiettivi. Questo obiettivi dovrebbero essere: Specifici, Misurabili, Ambiziosi, Realistici, con un Termine di scadenza L obiettivo dell implementazione di un sistema di gestione dell energia è ottenere un miglioramento della performance energetica. L organizzazione dovrà identificare periodicamente le opportunità esistenti per ottenere un miglioramento e monitorare la loro implementazione. La quota, l estensione e la scala temporale del processo di miglioramento continuo viene determinata dall organizzazione alla luce delle circostanze economiche e di altri aspetti pratici, quali le dimensioni dell organizzazione, l intensità energetica delle sue attività, i cambiamenti nella produzione. Esempi di obiettivi concreti possono essere: Reali risparmi energetici nelle aree definite, ovvero ridurre le dispersioni di aria compressa del 10%; L introduzione di nuove tecnologie per la conservazione dell energia (ad esempio riduttori 42

47 del flusso di acqua per ridurre i consumi di acqua calda, scambiatori di calore in un sistema di condizionamento per recuperare calore dall aria esausta, eccetera) per riutilizzare il 20% del calore precedentemente disperso; Informare, creare consapevolezza e motivare il personale per ridurre il consumo di acqua calda per le pulizie del 20%; Migliorare ed espandere le attività di monitoraggio per ridurre il consumo totale di energia del 5%; Stabilire ed implementare nuove procedure, istruzioni di lavoro, eccetera per ridurre le perdite di aria del 10%. Misure Una volta stabiliti gli obiettivi, potrete prendere delle decisioni su come volete raggiungerli. La tabelle riportata sotto mostra un esempio di misure prese da un azienda: Vettore di energia Obiettivo Misura adottata Elettricità Risparmi nel sistema ad aria compressa ( kwh/ Riduzione delle perdite nel sistema ad aria compressa Elettricità Risparmio energetico ( kwh/anno) Gas naturale Ottimizzazione del sistema caldaia ( kwh/anno) Gas naturale Riduzione del consumo di gas naturale per i sistemi di riscaldamento ( kwh/anno) Ottimizzazione delle luci Isolamento e adattamento della caldaia Recupero del calore - compressore Tabella 4: Esempio di obiettivi e misure Esercizio: Per quanto riguarda le imprese identificate negli esercizi precedenti: Riuscite ad individuare una lista degli input di materiali ed energia? Comparate i consumi energetici di imprese diverse. La lista degli aspetti energetici viene aggiornata regolarmente? Compilate una tabella come nell esempio Tabella 4: Esempio di obiettivi e misure che includa obiettivi e misure per il risparmio energetico. Utilizzate i componenti presenti nel vostro istituto. Implementazione e funzionamento IMPLEMENTAZIONE E FUNZIONAMENTO La direzione dovrebbe nominare una persona responsabile con l autorità necessaria ad implementare il programma di gestione dell energia. Il rappresentante della direzione dovrebbe riferire alla direzione stessa sulla performance ed i risultati ottenuti dal sistema. MANAGEMENT CAPO DIPARTIMENTO DIPENDENTI Fig. 7 Struttura organizzativa 43

48 Team Un elemento centrale dell efficienza organizzativa è il team: Lavorare durante l implementazione e poi analizzare gli effetti ambientali, ottenere la consapevolezza del personale, generare opportunità di miglioramento ed implementazione ha un peso su tutte le operazioni condotte all interno dell azienda. E questo il motivo per cui è preferibile nominare singoli membri del team con la funzione di coprire le operazioni principali. Quando si selezionano i membri del team, bisogna fare in modo di coprire le seguenti aree: Esperto di diritto Esperto di economia e commercio Esperto in tecnologie Esperto in manutenzione Tecnico della sicurezza Esercizio: Stai naufragando su un isola deserta. Devi decidere cinque oggetti da portare con te (fiammiferi, bussola, scialuppa di salvataggio, razzi di segnalazione, fornello, generi di pronto soccorso, acqua, razioni di ferro, arma da fuoco, ) Prima individualmente (documentate il risultato ottenuto) In seguito come risultato di una discussione di gruppo (15 minuti massimo per la discussione) Domande: Discutete le seguenti domande: Chi è responsabile dell amministrazione del vostro istituto scolastico? Chi è responsabile delle strutture? Chi raccoglie i dati sul consumo energetico e li riferisce al dirigente scolastico? Comunicazione, istruzione ed informazione Una comunicazione efficace è essenziale per garantire il successo del sistema di gestione dell energia. Informazioni regolari ed adeguate migliorano la motivazione e Comunicazione interna La comunicazione interna aiuta i dipendenti a comprendere la visione, i valori e la cultura dei responsabili dell organizzazione,. La comunicazione può essere orale oppure scritta, faccia a faccia o virtuale, coinvolgere due persone o gruppi. Una comunicazione interna chiara e concisa aiuta a stabilire ruoli formali e responsabilità per i dipendenti ed a mantenere organizzazione e chiarezza all interno dell azienda. La procedura dovrebbe comprendere quanto segue: 1. Chi è responsabile per la comunicazione interna sul programma di risparmio energetico; 2. Informazioni utili sull azienda, l implementazione ed il funzionamento del sistema di gestione dell energia; 3. I mezzi per veicolare le informazioni (riunioni interne, seminari, riviste dedicate al personale, rete aziendale, posta elettronica, tabelloni informativi, eccetera); 4. Il modo in cui le proposte provenienti dai dipendenti vengono analizzate e quali siano le procedure di risposta. Comunicazione esterna La comunicazione con soggetti esterni è importante per un sistema di gestione ambientale efficace. 44

49 Documentazione La documentazione è necessaria per descrivere e supportare il sistema di gestione. La documentazione dovrebbe comprenderne tutte le attività ed i processi connessi. E un punto di riferimento centrale per l implementazione ed il mantenimento del sistema in generale. Per monitorare e controllare gli impatti che certi processi o materiali possono avere sul ambiente, le procedure andrebbero definite e rese disponibili in qualunque momento perché vi si possa facilmente accedere per un riferimento. Queste procedure documentate, che dovrebbero essere facilmente comprensibili ed aggiornate quando necessario, garantiranno un funzionamento ottimale del sistema di gestione dell energia. Verifica / audit Esercizio: In relazione all impresa che avete individuato: Esiste una lista del know-how specifico e dell esperienza dei singoli dipendenti? Esistono presentazioni delle attività per ottenere maggiore consapevolezza del risparmio energetico? VERIFICA Non confondete una verifica con una revisione della gestione. Mentre la revisione iniziale fa partire il sistema di gestione, le verifiche interne lo mantengono in condizioni ottimali di funzionamento. Fig.8: Processo ciclico della verifica [4] Le verifiche interne comprendono una sistematica ispezione e comparazione di metodi operativi reali paragonati alle procedure specificate nel manuale EMS (sistema di gestione ambientale/ energetica). L obiettivo è quello di stabilire se il sistema EMS funzioni correttamente. Per iniziare, la verifica dovrebbe identificare e sottolineare le aree in cui i criteri richiesti dal sistema EMS sono stati soddisfatti; quindi dovrebbe individuare i criteri non soddisfatti e suggerire possibili opportunità di miglioramento. Una verifica si può concentrare su di una procedura (ad esempio la reazione in caso di emergenza) o su di un area operativa o una linea di produzione. La chiave per ottenere un sistema EMS che funzioni è che tutti i dipendenti vengano coinvolti e collaborino 45

50 al programma. Se i dipendenti non sono coinvolti e impegnati, il sistema sarà di difficile implementazione e mantenimento. Le verifiche costituiscono uno strumento essenziale per misurare il coinvolgimento nei diversi dipartimenti dell azienda. Nota: L obiettivo delle verifiche interne è portare a termine una revisione sistematica del sistema di gestione e stabilire se il sistema funzioni soddisfacendo le necessità dell organizzazione. Frequenza La frequenza delle verifiche dipende dall importanza degli aspetti ambientali, tuttavia tutte le procedure e le aree operative andrebbero verificate almeno una volta l anno. Il responsabile della gestione energetica ha il dovere di stabilire il programma della verifica e di comunicare i risultati del sistema di gestione alla direzione a scadenze fisse. Le aree che richiedono particolare attenzione sono le seguenti: aree ad alto rischio, aree in cui l azienda non è riuscita a soddisfare i parametri stabiliti per legge in passato. Sulla base di queste informazioni (aree ad alto rischio, aree in cui l azienda non è riuscita a soddisfare i criteri stabiliti per legge in passato) un programma della verifica viene stilato con l indicazione di quali aree o procedure vadano verificate e con quale ordine di tempo. Revisione della direzione REVISIONE DELLA DIREZIONE La fase finale dell implementazione del sistema è la revisione di gestione. Vanno considerati i seguenti quesiti: Il sistema di gestione è pratico, operativo ed efficace? Quali risultati ha ottenuto l azienda? Quali sono le ragioni di peggioramenti o miglioramenti? L organizzazione soddisfa i criteri stabiliti dalla legge? La revisione dovrebbe essere basata sulla relativa documentazione, come la relazione della verifica sulla gestione. A seconda dei risultati della revisione, la politica o le specifiche del sistema di gestione potrebbero evidenziar la necessità di cambiamento. Con quale frequenza queste revisioni vengono effettuate dipende da voi. Esercizio:Presentazione: Congratulazioni: adesso sapete quali siano le fasi e gli elementi principali di un sistema EMS. Utilizzate gli esercizi e le domande precedentemente proposti e sulla base di questi provate a realizzare una presentazione che comprenda obiettivi e misure che aiutino a risparmiare energia nel vostro istituto. 46

51 Punti chiave: La creazione di un sistema di gestione consiste di 5 fasi principali: 1. Politica energetica 2. Pianificazione; analisi di input e output, obiettivi, misure 3. Implementazione e funzionamento: team, comunicazione, documentazione 4. Verifica 5. Revisione della gestione Riferimenti: [1] ISO [2] Energy policy (Star Paper Mills Ltd.) EMP2005_pdf/Star_Paper_Mills_EMP.pdf [3] M-real s Environmental Declaration E_ENDI_ pdf [4] Web links:

52 Capitolo 5: Usi efficiente dell energia nell industria Introduzione E difficile immaginare un mondo senza carta: è uno dei materiali più versatili e comunemente utilizzati nella vita di tutti i giorni. Perfino in tempi di comunicazione e conservazione delle informazioni effettuate con mezzi elettronici, la carta è ancora insostituibile e non soltanto nel campo dell istruzione e del trasferimento di sapere, ma anche per migliaia di altri prodotti di uso quotidiano. Fig. 9 Prodotti cartacei L idea della fabbricazione della carta ha avuto origine circa anni fa in Cina ed è diventata popolare in Europa alla metà del 13 secolo (5). A quei tempi si utilizzavano come materie prime per la fabbricazione della carta fibre vegetali ricavate da corteccia di gelso, papiro, paglia o cotone. L industrializzazione dei processi produttivi è iniziata soltanto alla metà del 19 secolo, con l estrazione di fibre di legno per il loro utilizzo come materie prime (1). L energia ha sempre avuto un ruolo di primaria importanza nella produzione della carta. La fabbricazione, infatti, inizialmente avveniva sempre nei pressi di grandi corsi d acqua, per garantire l approvvigionamento delle quantità di acqua necessarie alla produzione e l utilizzo di energia idroelettrica per il funzionamento dei macchinari. L energia solare e l energia eolica, invece, venivano utilizzate nei processi di essiccatura e sbiancatura della carta, mentre l utilizzo significativo di combustibili fossili è iniziato soltanto con l industrializzazione dei processi produttivi. Oggi circa il 48% dell energia primaria utilizzata nell industria europea della carta e della polpa di cellulosa viene prodotta utilizzando combustibili fossili (22). Dati sull industria cartaria in Europa (22) Il consumo di carta in Europa cresce in media del 2,6% l anno. La capacità produttiva dei paesi europei è di poco superiore ai 100 milioni di tonnellate. Le carte grafiche rappresentano il 48% della produzione, le carte da imballaggio il 40% e le carte per usi igienici e speciali il 12%. La Germania è il paese più importante per la produzione di carta, seguito da Finlandia, Svezia, Italia e Francia. L industria fornisce impiego direttamente ed indirettamente a più di 2 milioni di persone e comprende 200 impianti di produzione di polpa di cellulosa e di carta ed 800 altre aziende in Europa. L industria europea della carta e della polpa di cellulosa ha un fatturato annuo di 79 miliar- 1 I dati riportati si riferiscono ai paesi CEPI (Confederazione Europea Industrie Cartarie) - Membri del 2007: Austria, Belgio, Repubblica Ceca, Finlandia, Francia, Germania, Ungheria, Italia, Norvegia, Polonia, Portogallo, Slovacchia, Spagna, Svezia, Svizzera, Olanda, Regno Unito. 2 La carta è costituita da fibre ricavate da legno o carta riciclata. Le fibre vengono separate chimicamente o meccanicamente dal legno e da altre materie prime e chiamate polpa di cellulosa. 48

53 di di euro, vale a dire l 1,4% del fatturato globale dell industria manifatturiera europea. Il consumo di legno dei paesi CEPI nel 2007 ha superato i 119 milioni di tonnellate. La manifattura della carta e della polpa di cellulosa è la quarta industria nel mondo per utilizzo di energia primaria (17). Più di metà dell energia termica ed elettrica è generato attraverso combustibili basati sulle biomasse. La Fig. 10 mostra come siano ripartite le percentuali di utilizzo di fonti di energia primaria per l industria europea della carta e della polpa di cellulosa. Fig. 10 Le percentuali relative all utilizzo di fonti di energia primaria L elettricità che non viene auto-prodotta ma prelevata dalla rete di distribuzione viene generata utilizzando una gamma di combustibili. La Fig. 11 mostra le percentuali di combustibili utilizzati a livello europeo per la produzione di elettricità. Fig. 11 Produzione annua di elettricità da combustibili in UE (28). Le rinnovabili in Fig. 11 includono l elettricità prodotta da energia idroelettrica, combustione di biomasse e biogas, combustione di rifiuti cittadini, energia eolica, geotermia ed energia solare fotovoltaica (28) La produzione di carta e di polpa di cellulosa contribuisce ad impatti molto significativi sull ambiente, dal momento che i processi produttivi fanno un uso intensivo di legno, prodotti chimici ed acqua e presentano un altissima domanda energetica. 3 L energia primaria è l energia incorporate nelle risorse naturali prima di venire sottoposta a qualunque conversione o trasformazione. Esempi di forti di energia primaria sono: carbone, greggio, gas naturale, luce solare, vento, biomasse, energia idroelettrica ed uranio [33]. 49

54 Il ciclo di vita della carta Il Sole è alla base del ciclo ecologico di produzione della carta e della polpa di cellulosa: esso converte l acqua, le sostanze nutritive, l energia e l anidride carbonica in fibre di legno negli alberi nel corso della loro crescita. Il bosco è una fonte rinnovabile di materie prime e fornisce sia fibre di legno che bio-combustibili per la generazione di energia (19). La Fig. 12 mostra le fasi fondamentali del ciclo di vita della carta. Forest: bosco Wood: legno Energy production: produzione di energia Fossil fuels: combustibili fossili Waste: rifiuti, scarti di produzione Pulp: polpa di cellulosa Paper mill: cartiera Printing: stampa Distribution: distri buzione Waste paper colllecting and sorting: raccolta e separazione della carta di recupero Fig. 12 Ciclo di vita della carta (31) Il legno, come anche i sottoprodotti dell industria di lavorazione del legno, vengono trasportati all impianto di produzione di polpa di cellulosa in cui viene realizzata la separazione tra fibre di cellulosa ed altre fibre del legno. Le fibre così estratte (polpa di cellulosa) vengono poi mescolate ad acqua e prodotti chimici e trasferite al macchinario di produzione della carta. I rifiuti dell industria di lavorazione del legno e degli impianti per la fabbricazione di polpa di cellulosa e carta vengono bruciati negli impianti di produzione di energia per risparmiare combustibili fossili e ridurre l ammontare di rifiuti depositati nelle discariche. La carta utilizzata e scartata, inoltre, viene raccolta e separata e di seguito riciclata e reintrodotta nei processi produttivi (31). 4 L industria preferisce il termine carta riciclata invece che carta di rifiuto [ 50

55 Materie prime per la produzione di carta L input per i processi produttivi della carta è costituito da fibre (polpa di cellulosa), prodotti chimici, acqua ed energia. Le fibre, i prodotti chimici e l acqua vengono mescolati e formano il materiale grezzo che viene lavorato dal macchinario di produzione della carta (18). Fibre Diversi materiali fibrosi, quali legno, piante non legnose o rifiuti degli impianti di lavorazione del legno (fibre vergini o primarie) e carta riciclata (fibre secondarie) si possono considerare materie prime per la produzione di carta. La prima fase di lavorazione prevede l estrazione delle fibre dalle materie prime e la produzione della polpa di cellulosa. La polpa viene mescolata ad acqua e prodotti chimici prima di essere inserita nel macchinario di fabbricazione della carta, da cui escono i fogli (3). Legno Il legno è un materiale organico che consiste approssimativamente per il 49% di carbonio, il 44% di ossigeno, il 6% di idrogeno e meno dell 1% di azoto ed altri elementi inorganici come sodio (Na), potassio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) e silicio (Si). Questi elementi costituiscono macromolecole e pertanto creano i costituenti di base del legno: cellulosa, emicellulosa e lignina. Le fibre di cellulosa che sono flessibili vengono legate insieme e rese più rigide dalla lignina (6). La fig. 13 mostra in maniera semplificata la composizione cellulare del legno. Fig. 13 Rappresentazione semplificata della composizione cellulare del legno (16). Per la manifattura della carta si possono utilizzare soltanto le fibre di cellulosa che devono essere separate meccanicamente o chimicamente dagli altri componenti del legno. Le fibre ricavate da legno tenero, come dagli alberi di abete, abete rosso e pino sono più lunghe e rozze di quelle ricavate da legno duro. Le fibre da legno tenero rendono la carta resistente a tensione e lacerazione, mentre le fibre da legno duro danno al foglio una superficie più liscia e omogenea. Dal momento che il legno morbido contiene maggiori quantità di lignina di quello duro, più componenti chimici ed energia sono necessari per separare le fibre utili dagli altri componenti del legno (18). Piante non legnose Le piante non legnose come l erba, il lino e la canapa, come anche alcuni scarti agricoli, ad esempio la paglia e la canna da zucchero, sono materie prime importanti per ottenere fibre vergini in paesi come la Cina e l India (19, 20). Carta riciclata Nel 2006, il 56% del consumo di carta e cartone in Europa è stato riciclato. La carta da giornale 51

56 ed il cartone sono tra i prodotti più importanti prodotti con carta riciclata (19). Prodotti chimici Le sostanze chimiche, quali additivi e rivestimenti, possono costituire fino al 30% del totale del materiale grezzo. L aggiunta di additivi, ad esempio di carbonato di calcio (gesso) e caolino, rende la carta più opaca, più resistente all invecchiamento, contribuisce ad ottenere una superficie più liscia ed aumenta la flessibilità. Inoltre molte fasi del processo produttivo della polpa di cellulosa, come la separazione della lignina dalle fibre vergini del legno, la pulizia e lo sbiancaggio richiedono l utilizzo di prodotti chimici (1). Acqua L acqua è la materia prima più importante: è necessaria per la pulizia, il raffreddamento, la generazione di vapore ed agisce come agente legante a formare legami di idrogeno tra le fibre nel foglio di carta. I processi produttivi della carta possono avere necessità di quantità d acqua fino a 10 o 100 litri per chilogrammo di prodotto. Gli impianti moderni, pertanto, usano cicli chiusi e sistemi di circolazione di acqua per minimizzare i consumi (3). Energia La maggior parte degli impianti industriali hanno le proprie strutture per la generazione di elettricità e la produzione di vapore. Oggi l auto-generazione di energia rappresenta circa il 60% dell ammontare totale di energia utilizzato nell industria europea della carta e della polpa di cellulosa. L energia idroelettrica, il gas naturale, i combustibili fossili, i combustibili da rifiuti e le biomasse, come anche l energia recuperata dai processi produttivi, vengono trasformati in vapore ed elettricità per il funzionamento delle attrezzature produttive (18). Per fare un esempio, la Fig. 14 mostra un diagramma semplificato del flusso dell energia di un industria cartaria austriaca. Fig. 14 Diagramma del flusso di energia dell industria cartaria UPM di Steyrermühl, Austria (14) Gas naturale, corteccia (bark) e rifiuti dai processi produttivi (waste) vengono bruciati per produrre calore (heat). Questo calore viene utilizzato per generare vapore (steam) utilizzato per attivare una turbina (steam turbine) che, a sua volta, produce elettricità. Il vapore in eccesso non utilizzato dalla turbina viene usato per soddisfare i bisogni di riscaldamento nel corso del processo produttivo. Sistemi per il recupero del calore (heat recovery) contribuiscono anch essi all energia fornita alla cartiera. In questa cartiera una stazione idroelettrica (hydro-power) fornisce corrente elettrica ed il resto dei bisogni energetici è soddisfatto dalla rete di distribuzione (electricity from the grid) (14). 5 Fonte: Il consumo medio annuo di energia (compresa tutta l energia elettrica e gli impianti di riscaldamento) è di circa 20,000 kwh 52

57 Le cartiere utilizzano energia sotto forma di calore per il riscaldamento e per i processi di essiccatura (ad esempio nel macchinario di produzione dei fogli) ed elettricità per il funzionamento dei vari macchinari e dei motori. I costi dell energia sono compresi tra il 15 ed il 25% del totale della produzione (27). I bisogni energetici per la produzione di una tonnellata di carta sono nell ordine di 3-5 MWh. Si tratta del consumo medio di energia di una famiglia europea nell arco di tre mesi. A causa di questi fattori economici, ridurre il bisogno di energia primaria e mettere in pratica un utilizzo efficiente del vapore generato per la produzione e dell elettricità sono sempre stati obiettivi di primo piano per l industria cartaria. In particolar modo, la combustione dei rifiuti prodotti nel corso dei processi produttivi e dei combustibili da biomasse quali corteccia, scarti di lavorazione del legno ed altri rifiuti da operazioni di selvicoltura contribuiscono alla riduzione dell utilizzo di combustibili fossili e ad un input sostenibile di risorse. Oltre a ciò, impianti di recupero di calore all interno del processo produttivo riducono i bisogni totali di generazione di energia e in tal modo viene ridotto anche l ammontare di CO 2 e di altre emissioni (19). Il processo produttivo della carta La produzione di carta può essere suddivisa in due fasi fondamentali che trasformano le materie prime in prodotto finito (3, 20): Sistemi di produzione e preparazione della polpa Quando si usano tronchi come fonte di fibra, è necessario prima di tutto rimuovere la corteccia. In genere, la scortecciatura avviene in un tamburo rotante in cui la corteccia viene rimossa per frizione. La stessa corteccia può venire utilizzata per generare energia (4). Questa cosiddetta combustione della biomassa riduce il bisogno di combustibili fossili e la quantità di rifiuti come risultante dei processi produttivi (2). In un impianto per la produzione di polpa di cellulosa, le fibre contenute nei tronchi vengono separate dagli altri componenti del legno e viene assemblata un unica massa di fibre. Nel caso di un impianto integrato, la produzione della polpa e la fabbricazione della carta avvengono nello stesso impianto. In alternativa, la polpa viene fatta seccare e pressata in balle per essere utilizzata in qualunque impianto per la fabbricazione di carta nel mondo (19). Polpa chimica In un impianto di produzione di polpa che utilizza processi chimici, con una combinazione di somministrazione di calore, prodotti chimici e pressione si rompe la lignina contenuta nel legno, in maniera che possa essere rimossa dalle fibre di cellulosa (18). Per questo motivo, i tronchi scortecciati vengono lavati e ridotti in trucioli. La vagliatura rimuove i trucioli troppo grandi per la ulteriore lavorazione. La segatura si può bruciare insieme a corteccia e ad altri residui (2). Nel processo di produzione di polpa chimica, i trucioli vengono cotti con un liquido di cottura di colore bianco che contiene idrossido di sodio (NaOH) e solfuro di sodio (NaS). Sotto l influenza di queste sostanze chimiche a temperature di processo che vanno dai 155 ai 175 C, la lignina e parti della emicellulosa vengono dissolte ed estratte dal legno, in maniera che rimangano solo le fibre di cellulosa. Le fibre così estratte (polpa) contengono un liquido scuro, una miscela di sostanze chimiche e di lignina. Tramite pro- Fig. 15 Polpa chimica sbiancata (34). 53

58 cessi di lavatura, il liquido scuro viene separato dalla polpa e raccolto con un sistema di recupero delle sostanze chimiche, in cui approssimativamente il 70% dell input di energia impiegato nel processo di cottura e più del 90% delle sostanze chimiche vengono recuperati (2). All inizio la polpa ha un colorito marrone. A seconda della lucentezza desiderata e delle qualità di purezza richieste nella carta, la polpa deve essere sbiancata per rimuovere la rimanente lignina ed altre eventuali impurità. Cloro e composti chimici contenenti cloro, ozono e ossigeno in forme differenti e perossido di idrogeno possono essere utilizzati per la sbiancatura. A causa degli impatti negativi di alcuni composti del cloro, sussistono obiezioni al loro utilizzo e la maggior parte degli impianti moderni usa processi che non ne prevedono l utilizzo (a). La Fig. 16 illustra i principali flussi di massa ed energia nel corso dei processi di produzione della polpa chimica. Fig. 16 Diagramma dei flussi della produzione di polpa chimica (31). Sistema per il recupero delle sostanze chimiche e dell energia Nel sistema di recupero, l acqua viene separata dal liquido scuro per evaporazione; il restante liquido addensato viene trasferito ad una caldaia di recupero. I componenti organici del legno nel liquido scuro (lignina ed altri componenti del legno) hanno un alto contenuto energetico e vengono bruciati per produrre vapore. Le sostanze chimiche impiegate per la produzione della polpa vengono quindi raccolte al fondo della caldaia e riciclate per i processi produttivi (18). Fig. 17 Diagramma di flusso del sistema di recupero (4). 54

59 Polpa termo-meccanica (TMP) Un sistema di produzione di polpa termo-meccanica utilizza calore ed energia meccanica per estrarre le fibre dal legno. I trucioli vengono impregnati di vapore per inumidire il materiale. Di seguito le fibre vengono estratte tramite macinatura con un macchinario rotante (raffinatore). Il modello più semplice di raffinatore di questo tipo è costituito da due dischi che ruotano l uno contro l altro. L energia di rotazione del raffinatore fa emettere una gran quantità di vapore dai trucioli bagnati. Questo vapore disperso o vapore TMP viene separato dalle fibre di legno e trasferito al sistema di recupero dell energia. Le fibre vengono quindi vagliate per rimuovere elementi di dimensioni troppo grandi dalla materia grezza, pulite e sbiancate per ottenere le qualità desiderate nella polpa (4). La Fig. 18 mostra i flussi generali della produzione di polpa termo-meccanica. Debarking: Scortecciatura Wood chips: Trucioli di legno Bark: Corteccia Bark combustion: Combustione della corteccia Energy back to process: Energia utilizzata nel processo produttivo Bleaching: Sbiancatura Refiner: Raffinatore Waste steam: Vapore di scarto Steam recovery: Recupero del vapore Fresh steam: Vapore fresco Fig. 18 Diagramma di flusso della produzione di polpa TMP Sistema di recupero dell energia Il vapore trasferito al sistema di recupero dell energia contiene molte impurità (ad esempio trementina, oli volatili organici) quindi non può essere utilizzato direttamente per il riscaldamento nel processo produttivo. Il vapore caldo viene pertanto trasferito ad una caldaia per il recupero di calore ed usato per riscaldare l acqua e produrre nuovo vapore, a sua volta usato per impregnare i trucioli. Il vapore TMP circola all interno della caldaia di recupero e riscalda l acqua fredda. Nel processo, infine, il vapore si condensa ed il condensato viene estratto dalla parte inferiore del macchinario per essere trasferito al sistema di trattamento dei residui. Con il funziona- Fig. 19 Scambio termico tra vapore TMP ed acqua fredda 55

60 mento della caldaia di recupero, il 60-70% dell energia necessaria a far funzionare il raffinatore può venire recuperata sotto forma di vapore (12). Polpa ricavata da carta riciclata (Riciclaggio della carta) Per risparmiare materie prime ed energia, la carta si può riciclare riutilizzandone le fibre invece che ricavarne di nuove dal legno. Per questo motivo vanno preparate diverse qualità di carta utilizzando le attrezzature per la preparazione del materiale grezzo per essere quindi trasformate dal macchinario per la preparazione della carta (3). La Fig. 20 mostra un possibile diagramma di flusso per la carta di recupero. Il materiale di input viene trasformato in una sospensione pompabile in un recipiente riempito di acqua e di carta di riciclo. Questo cosiddetto spappolatore rompe la carta riciclata in fibre dissolvendola con l acqua (3). Le particelle di inchiostro e le impurità, quali lamine, tessuti, borse in plastica, pietre, graffette metalliche o pezzi di legno vengono separati dalla sospensione prima che venga trasferita al macchinario per la produzione della carta. Recycling: riciclo Flotation: galleggiamento Ink particles: particelle di i nchiostro Pulping: spappolamento Pulp: polpa di cellulosa Foils, plastic bags, wood: scarti (lamine, borse in plastica, legno) Fig. 20 Fabbricazione della carta da fibre di recupero (31). Le impurità rimosse durante il processo di riciclo (scarti) si possono bruciare per produrre energia (19). Riciclo ed incenerimento Il riciclo della carta contribuisce ad un produzione sostenibile; comunque è sempre necessario portare fibre fresche ricavate dal legno nel ciclo della carta. La carta di scarto contiene molte fibre rotte che non possono più essere riutilizzate (7). Ad ogni ciclo di riutilizzo, il 10-20% delle fibre diventa di dimensioni troppo piccole per essere riutilizzato e deve essere rimpiazzato (17). La carta che non può più venire riutilizzata si può bruciare con altri rifiuti urbani negli inceneritori. La carta influenza positivamente il processo di incenerimento, poiché brucia facilmente e pertanto riduce la necessità di utilizzare altri combustibili fossili. (17). La combustione di un tonnellata di carta di scarto sostituisce approssimativamente 600 litri di petrolio (22). Dato che gli inceneritori di norma vengono utilizzati per la produzione di energia, ad esempio di vapore per gli impianti di teleriscaldamento e per fornire energia elettrica alla rete di distribuzio- 56

61 ne (Fig. 22), l incenerimento di carta di scarto che non può essere riciclata o utilizzata in altri materiali è una modalità per recuperare energia. Fig. 21 Gru per la movimentazione di rifiuti Fig. 22 Produzione di energia dall incenerimento della carta (26) Riciclo della carta ed utilizzo di fibra fresca Sono numerosi gli impatti della produzione di carta sull ambiente; questo paragrafo illustrerà gli influssi più importanti e generalmente conosciuti della produzione di polpa di cellulosa e di carta sull ambiente. Considerando i diversi tipi di carta ed i vari processi produttivi per la polpa e la carta, molti esperti europei ed americani ritengono che la carta prodotta utilizzando fibre di recupero è meno nociva per l ambiente di quella prodotta da fibre vergini (9, 10, 19, 25, 26). La Tabella 1 mostra i diversi impatti ambientali del processo di produzione di una tonnellata di carta da fibre primarie (Scenario A) paragonato a quella di una tonnellata ricavata da fibre secondarie (Scenario B). Gli impatti più seri sull ambiente sono: Gas serra: come l anidride carbonica (CO 2 ) e il metano (CH 4 ) contribuiscono ai cambiamenti climatici intrappolando energia proveniente dal Sole nell atmosfera terrestre (24) Particolati: piccole particelle (<10 µm) che vengono disperse nell atmosfera nel corso della combustione possono causare asma ed altre malattie respiratorie o perfino il cancro se inalate (24) Biossido di zolfo: SO 2 viene prodotto dalla combustione di carburanti contenenti zolfo (carbone, petrolio) e porta a gravi forme di inquinamento atmosferico, quali piogge acide e smog (24) COD: il valore della domanda di ossigeno chimico (COD) indica la presenza quantitativa di sostanze organiche persistenti nelle acque reflue (24) BOD: la domanda di ossigeno biochimico (BOD) indica la quantità di ossigeno consumato da micro-organismi nei processi di degradamento di materiali organici nelle acque reflue. Lo scarico di acque reflue con un alto valore di BOD può portare alla riduzione di ossigeno disciolto nell acqua ed avere un impatto negativo su pesci ed altri organismi (18) 57

62 AOX: gli alogeni organici assorbibili sono una misura indiretta dei composti clorati organici, alcuni dei quali sono tossici (24) Tabella 1 Comparazione degli impatti ambientali tra processi produttivi della carta che utilizzano fibre fresche e che utilizzano carta di riciclo (8, 9, 24) A: 100% fibre fresche B: 100% fibre riciclate Materie prime Legno 2,200 kg - Carta di riciclo kg Minerali (es. gesso) 100 kg 25 kg Sostanze chimiche (es. pigmenti, additivi) 230 kg 130 kg Acqua l l Consumo energetico Dalla combustione di legno residuo 3-4 MWh Dalla combustione di scarti del processo MWh Addizionale (es. combustibili fossili) MWh 1-2 MWh Totale MWh MWh Emissioni in acqua COD 5-50 kg 2-10 kg BOD kg kg AOX <0.5 kg <0.5 kg Emissioni in aria Gas serra (CO2 equivalente) kg kg Particolati 4-5 kg kg Biossido di zolfo kg 9-11 kg Per quanto riguarda l efficienza energetica del riciclo di carta, il recupero della fibra rappresenta un minor consumo energetico, rispetto alla produzione di carta da fibre vergini. Comunque è probabile che maggiori input esterni di energia da combustibili fossili siano coinvolti nei processi di riciclo, dal momento che i processi di produzione che utilizzano fibre vergini utilizzano molto legno come carburante alternativo. Una tonnellata di carta prodotta da fibre di recupero consuma approssimativamente 2 MWh, cioè il 40% in meno di energia rispetto alla carta prodotta utilizzando fibre fresche (23): si tratta del consumo energetico di una famiglia europea media in un mese e mezzo. Se si considerano più attentamente le emissioni di CO 2 il potenziale medio di risparmio è di 700 kg per tonnellata di carta riciclata, se paragonato alle emissioni relative alla produzione di carta da fibre fresche. Considerando il consumo medio di un automobile sulle strade europee come 6 Fonte: Il consumo medio annuo di energia (compresi tutti i consumi elettrici ed il riscaldamento) è di circa kwh 58

63 pari a 160 g di CO 2 per kilometro, si potrebbe viaggiare per circa km emettendo la stessa quantità di biossido di carbonio. Combustione di rifiuti dai processi produttivi I dati dell industria cartaria tedesca mostrano che nel corso del 2001, il 35 % dei rifiuti solidi (corteccia e residui di legno, più tutti gli scarti) è stato utilizzato per la produzione di energia, il 18% è stato trasferito ad impianti di compostaggio o trattato biologicamente, il 41% riutilizzato come materia prima in altri rami dell industria e solo il 6% è arrivato all eliminazione definitiva in discarica,. L importanza della combustione dei rifiuti provenienti dai processi produttivi aumenta in corrispondenza degli alti costi dei combustibili fossili, di leggi più restrittive in materia ambientale e degli alti costi di smaltimento in discarica (3). L industria della carta e della polpa di cellulosa è il maggiore produttore e consumatore di combustibili alternativi come segatura, corteccia ed altri residui di lavorazione del legno (19). Generazione di vapore ed elettricità Nella produzione di carta e di polpa di cellulosa, diverse fasi del processo, come la sezione di essiccatura del macchinario per la produzione della carta, utilizzano vapore per il riscaldamento. Il vapore viene generato per scambio di calore tra gas di scarico caldi provenienti dai processi di combustione (combustione di combustibili fossili o di combustibili alternativi, processo di recupero chimico) ed acqua fresca (12) La Fig. 23 mostra il principio base della generazione di vapore. Water inlet: immissione di acqua Flue: canna fumaria Water tubes: condutture dell acqua Combustion chamber: camera di combustione Air and fuel inlet: immissione di aria e combustibile Steam outlet: emissione di vapore Fig. 23 Principio semplificato della generazione di vapore (15). Il vapore aziona una turbina: si tratta di energia termica convertita in energia meccanica di rotazione. Il pozzo della turbina è collegato ad un generatore che trasforma l energia meccanica di rotazione in elettricità. il vapore che fuoriesce dalla turbina viene trasferito al macchinario di produzione della carta per il riscaldamento. Il vapore, nei punti di utilizzo, rilascia la sua energia nel processo per condensazione. Il condensato viene nuovamente pompato alla caldaia per essere poi vaporizzato. Questo processo è chiamato ciclo del vapore (calore combinato e generazione di energia) ed è illustrato in Fig. 24 (11). 59

64 Bark and wood residues: corteccia e scarti di legno Pulping of recycled paper: spappolamento di carta di riciclo Reject: scarti Residues from effluent treatment: residui dal trattamento delle acque reflue Water removal: rimozione dell acqua Sludge: fanghi Effluent clarification: purificazione delle acque di scarico Clean water: acqua pulita Fossil fuels combustibili fossili Steam: vapore Combustion: combustione Turbine: turbina Electrical power: energia elettrica Generator: generatore Paper machine: macchinario per la produzione di carta Condensate: condensato Fig. 24 Diagramma di flusso della combustione dei rifiuti per la generazione di vapore e di elettricità (10) I fanghi ed il biogas ricavati dal trattamento delle acque reflue ed i rifiuti provenienti dai processi di produzione della polpa di cellulosa vengono bruciati insieme a corteccia, altri residui di legno e combustibili fossili (10). Il trattamento biologico all interno dell impianto di produzione oppure in appositi impianti di trattamento presenti nel territorio è lo standard odierno per il trattamento delle acque reflue dalla produzione di carta. Il volume specifico di acque reflue negli impianti di produzione moderni è di circa litri per chilo di carta (3). Funzionamento degli impianti di cogenerazione per garantire efficienza energetica La cogenerazione è la produzione simultanea di energia elettrica e di calore in un unico sistema integrato (generazione combinata di calore ed elettricità). Con il calore di scarto proveniente dalla generazione di energia viene prodotto riscaldamento o calore utilizzato nei processi di essiccatura. In tal modo, la quantità di energia dispersa viene ridotto e si possono risparmiare significative quantità di combustibili. Ciò sta a significare che l efficienza globale dei processi di cogenerazione è maggiore rispetto ai sistemi convenzionali di generazione separata di elettricità e di vapore (29). L efficienza (ŋ) di un processo si può calcolare come rapporto tra output di energia di un sistema (output di energia utilizzabile, ovvero energia termica utilizzabile, output elettrico netto) ed il contenuto energetico portato ad un sistema (input energetico, ovvero potere calorifico netto (13). ŋ = P use /P in P use = energia utilizzabile (cioè energia, calore); P in = input di energia 7 Il biogas è una miscela di metano (55vol-%), biossido di carbonio (44 vol-%) ed altri componenti gassosi (1 vol -%) prodotta da microorganismi nel corso dei processi di digestione di materiale organico in condizioni anaerobiche (in assenza di ossigeno). Il biogas viene prodotto naturalmente nelle brughiere, nelle paludi, nelle discariche ed anche nei processi di trattamento delle acque di scolo (32). 8 Potere calorifico netto: la quantità di calore liberata dalla combustione completa di un unità di combustibile, ipotizzando che l acqua prodotta rimanga allo stato di vapore ( 30). 60

65 La cogenerazione è riconosciuta come tecnologia chiave per il risparmio energetico e la conseguente riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Si può ottenere fino al 25% di risparmio energetico utilizzando impianti di cogenerazione (19). La Fig. 25 mostra il vantaggio in termini di efficienza energetica di calore ed elettricità ottenuti con la cogenerazione rispetto alla produzione separata di elettricità e di vapore. Fig. 25 Efficienza globale della cogenerazione (sotto) rispetto alla generazione separata di vapore ed elettricità (sopra) (13, 29). 61

66 Quando si attuano processi di produzione di elettricità, circa il 31% dell energia del combustibile si può convertire in output elettrico netto: il resto dell input di energia viene disperso come calore di scarto dell impianto. Le caldaie tipiche per la produzione di vapore convertono l 80% dell input di combustibile in energia termica utilizzabile. Se, ad esempio, un cartiera necessita di 30 unità di energia elettrica e di 45 unità di vapore, saranno necessarie 154 unità di combustibile per il funzionamento dei processi produttivi. L efficienza globale può essere calcolata con la formula (29): ŋ = P use /P in = (30+45)/154 = 0.49 ŋ = 49% Un processo di cogenerazione utilizza il calore di scarto proveniente dalla generazione di elettricità e richiede pertanto minori quantità di energia. Solo 100 unità di combustibile sono necessarie per fornire 30 unità di elettricità e 45 unità di vapore alla cartiera: l efficienza è quindi di gran lunga superiore (29): ŋ = P use /P in = (30+45)/100 = 0.75 ŋ = 75% Produzione di fogli Si tratta dell ultima fase nel processo di produzione della carta. La Fig. 26 mostra i componenti di base di una macchina per la produzione di carta. Si evidenziano cinque sezioni principali: la cassa di afflusso (headbox - in cui polpa, acqua ed altri componenti vengono inseriti nella macchina per la lavorazione), la sezione di conduzione (wire section), la sezione di pressatura (press section), la sezione di essiccatura (dryer section) ed il gruppo terminale (end group) (3). Fig. 1 Principio di funzionamento di una macchinario per la produzione di carta Alla cassa di afflusso la sospensione di polpa, acqua e sostanze chimiche (additivi, pigmenti) viene distribuita al macchinario. Il contenuto d acqua della sospensione è del 99% (2). Nella sezione di conduzione l acqua viene rimossa dalla sospensione con una serie di rulli e di camere a vuoto per aumentare il contenuto di solidi fino al 20% (3). La rimozione dell acqua dall impasto di fibre continua nella sezione di pressatura, attraverso la compressione del legame interfibra tra rulli metallici. Il contenuto in solidi vien aumentato fino al 50% (3). Cilindri riscaldati a vapore operano nella sezione di essiccatura, fanno evaporare l acqua rima- 62

67 nente dalla materia grezza (3). Si formano legami chimici tra le fibre ed il foglio di carta viene prodotto (18) La Fig. 27 mostra il principio di funzionamento semplificato della sezione di essiccatura. Vapore saturo viene somministrato al cilindro e si condensa sulla superficie interna. Superficie asciutta del cilindro Foglio di carta Tessuto più asciutto mantiene il foglio contro la superficie esterna del cilindro Fig. 27 Principio di funzionamento della sezione di essiccatura (20) Per il funzionamento efficiente dal punto di vista energetico dei macchinari per la produzione di carta, sistemi di recupero del calore vengono installati al di sopra della sezione di essiccatura. L aria esausta, calda e carica di vapore, viene raccolta dalla sezione di essiccatura e riutilizzata per riscaldamento all interno del macchinario per la produzione di carta (2). Il gruppo terminale trasferisce, se necessario, pigmenti addizionali o altre sostanze chimiche al foglio di carta. Viene applicato il colore di rivestimento e la superficie della carta viene lucidata (3). La carta finita viene avvolta in grandi rulli che possono avere dimensioni fino a 120 metri di lunghezza e 25 tonnellate di peso (21). Fig. 3 Rullo di carta (23) Nota: Consigli per risparmiare carta Non dimenticate che abbiamo tutti una responsabilità nei confronti dell ambiente e del pianeta in cui viviamo. Nell utilizzo delle risorse e dei prodotti in maniera responsabile, tutti possono contribuire a rendere la Terra un po migliore. Riducete il consumo di carta Stampate le ed i documenti soltanto se strettamente necessario Stampate su due facciate Non gettate via i documenti che non vi servono più stampati su una sola facciata utilizzateli per prendere appunti Utilizzate carta sottile in ogni occasione in cui è possibile Utilizzate carta riciclata Raccogliete la carta di scarto e deponetela negli appositi contenitori per la raccolta differenziata 63

68 Esempio: Calcolo: Una cartiera ha un consumo netto di energia di 2,4 MWh per tonnellata di carta prodotta a) Quale input di energia primaria (energia da combustibile) è necessario per il processo produttivo quando la generazione di calore e di energia sono separate con una efficienza globale del 49%? ŋ = Q use /Q in Q in = Q use /ŋ = 2.4 MWh/0.49 Q in = 4.9 MWh b) Quale input di energia (energia da combustibile) è necessario quando il calore e l energia sono prodotti congiuntamente con un impianto di cogenerazione ed un efficienza del 75%? ŋ = Q use /Q in Q in = Q use /ŋ = 2.4 MWh/0.75 Q in = 3.2 MWh c) Se nei casi a) e b) tutta l energia fosse generata dalla combustione di gas naturale, quanto se ne risparmierebbe con la cogenerazione rispetto alla generazione separata di calore ed energia? Il valore calorifico netto del gas naturale è circa 10 kwh/m 3. La differenza tra cogenerazione e generazione separata di calore ed energia: 4.9 MWh 3.2 MWh = 1.7 MWh 1,700 kwh/10 kwh/m³ = 170 m³ Con la cogenerazione si possono risparmiare 170 m 3 di gas per tonnellata di carta d) Completate l equazione relativa alla reazione di combustione del gas naturale CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O e) Prendendo come ipotesi che il gas naturale consista unicamente di CH 4, quanti grammi di CO 2 si possono risparmiare per tonnellata di carta quando si utilizza la cogenerazione? La combustione di 1 m 3 di CH 4 emette 1 m 3 di CO 2 nell atmosfera, la massa molare di CO 2 è di 44 g/mol 1 mol = l 1 m³ = 1,000 l/ l/mol = 44.6 mol 44.6 mol/m³ * 44 g/mol = 1,962.4 g/m³ 170 m³ * 1,962.4 g/m³ = 333,608 g 64

69 Esperimento: Fatevi la carta da soli! Tratto dal sito: in data Avrete bisogno di: carta, un frullatore, una bacinella (ad esempio una vaschetta per lettiera per gatti), vecchi giornali, un ventilatore, acqua, una spugna, un vecchio lenzuolo, del nastro adesivo, un pezzo di zanzariera (30x40 cm) uno schermo fatto di filo di ferro (40x30 cm); dimensioni dei quadrati interni: 2x2 cm, un multimetro Fatevi i vostri feltrini: tagliate il lenzuolo in pezzi di 50 X 40 cm. Costruitevi il vostro retino : questo è il modo più semplice ed economico: Riempite il frullatore per circa 2/3 di acqua. La temperatura dell acqua deve essere come quelladell acqua del bagno 65

70 Iniziate a stracciare o tagliare la carta. Idealmente i pezzetti dovrebbero essere di circa 2x2 cm Inserite la carta nel frullatore e frullate bene per almeno tre minuti. Potete calcolare l energia necessaria per con la formula Q=P*t. P si può misurare con il multimetro. Versate la polpa nella bacinella ed aggiungete a tre frullatori di polpa uno di acqua. Il risultato finale sarà una bella zuppa, ne troppo densa, ne troppo acquosa. Preparate la vostra superficie di lavoro. Vicino alla bacinella stendete della carta di giornale. Disponete uno straccio sul giornale e mantenete il resto del giornale e degli stracci a portata di mano. 66

71 Mescolate la polpa e l acqua con la mano. Inserite lo schermo nella polpa. Una volta dentro, muovetelo avanti e indietro, livellando e sistemando la polpa sullo schermo. Continuate a scuotere lo schermo mentre lo tirate fuori dalla bacinella. Se non ottenete un buon risultato, non dovete fare altro che rovesciare lo schermo e versare la polpa di nuovo nell acqua. Una volta che si è formato il vostro foglio, inclinate lo schermo per rimuovere l acqua in eccesso. Quando inizierà a sgocciolare ad intermittenza, lo potete distendere. 67

72 Ecco la fase della distensione. Allineate lo schermo con gli stracci e rovesciatelo sopra. L acqua presente sullo schermo dovrebbe mantenere la carta sullo schermo stesso per permettervi di completare l operazione. Assorbite ancora acqua sul retro dello schermo con la spugna. Eseguite questa operazione per l intera estensione dello schermo, facendo attenzione ai bordi. Iniziando da un angolo, rimuovete lo schermo dalla carta. Se non si stacca, appoggiatelo ed assorbite una maggiore quantità di acqua con la spugna. 68

73 Coprire la carta con un altro straccio. Aggiungete quindi del giornale, poi ancora uno straccio e siete pronti a continuare.. Dopo aver disposto da tre a cinque fogli, vi accorgerete che la carta si assottiglia. Dovrete aggiungere più polpa. Quando avete finito con i fogli, disponete un altro straccio sulla pila ed ancora del giornale. Quello che avete ottenuto si chiama colonna. 69

74 E ora di procedere con la pressatura. Ponete la colonna sul pavimento che potrete facilmente pulire in seguito e disponete la tavola sulla colonna di fogli. State in piedi sopra la colonna, posizionandovi proprio al centro. Adesso potete raccogliere la carta bagnata e farla asciugare in un luogo ben ventilato oppure potete tenerla sugli stracci. Ricordate: tirate sempre a partire dagli angoli e con delicatezza. Mettete gli stacci ad asciugare, riciclate il giornale. La carta è resistente, ma dovrete essere delicati nel rimuoverla dagli stracci. Se fate asciugare la carta con il ventilatore, potrete calcolare l energia di essiccatura: Q=P*t che si può misurare con il multimetro. 70

75 Riferimenti [1] The paper making process - From wood to coated paper: Sappi idea exchange; from the Internet: 06.october 2008 [2] European Commission: Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC), Reference Document on Best Available Techniques in the Pulp and Paper Industry. December 2001; from the Internet: 06.october 2008 [3] Herbert Holik (Ed.): Handbook of paper and board; Wiley VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 [4] Herbert Sixta (Ed.): Handbook of pulp, Volume 2, Wiley VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 [5] Anders Thoren (Ed.) Paper in the Ecocyle, Media Express Fallköping 1995, ISBN: [6] Herbert Sixta (Ed.): Handbook of pulp, Volume 1, Wiley VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 [7] European Enviroment Agency: Paper and Cardboard recovery or disposal? Review of life cycle assesment and cost benefit analyses on the recovery and disposal af paper and cardboard, EEA Technical Report 5/2006; Copenhagen 2006; ISBN: [8] Initiative 2000 plus; Kritischer Papierbericht 2004; Essen, 2004 from the Internet: 10.october 2008 [9] From the Internet: 16.october 2008 [10] Siemens: Press release; Generating electrical power instead of disposal to landfill: Sipaper Reject Power extracts electrical energy and process heat from residues from paper production, Wiesbaden-June 27, 2006, from the Internet: 16.october 2008 [11] Johann Gullichsen (Ed.), Carl-Johan Fogelholm(Ed.): Chemical Pulping; Book 6B of Papermaking Science and Technology a series of 19 books; published in cooperation with the Finnish Paper Engineer`s Association and TAPPI [12] Jan Sundholm (Ed.): Mechanical Pulping; Book 5 of Papermaking Science and Technology a series of 19 books; published in cooperation with the Finnish Paper Engineer`s Association and TAPPI [13] EDUCOGEN the European Educational tool on cogeneration, second edition, september 2001; from the Internet: november 2008 [14] UPM Steyrermühl; Umwelterklärung [15] From the Internet: 05.november 2008 [16] From the Internet: 05.november 2008 [17] International Institute for Environment and Development: Towards a Sustainablepaper cycle, An independent study on the sustainability of the pulp and paper industry; London, 1996; from the Internet: 05.november 2008 [18] From the Internet: 10.november 2008 [19] From the Internet: 10.november 2008 [20] From the Internet: 13.november 2008 [21] From the Internet: 13.november