Fabbrica Futuro Idee e strumenti per l impresa manifatturiera di domani

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1 Convegno Fabbrica Futuro Idee e strumenti per l impresa manifatturiera di domani Torino, 10 giugno 2015 Soluzioni per l efficienza energetica e l uso ottimale delle risorse nei processi industriali M. Masoero Politecnico di Torino

2 Bilancio energetico nazionale 2

3 Usi elettrici finali (Provincia Torino - Industria) previsione totale (asse ) mezzi di trasporto e settori collegati [GWh] meccanica chimica, cartaria, materiali costruzione beni e servizi persona/casa Meccanica Mezzi di Trasporto e collegati Beni e servizi persona/casa Chimica, Mat.Costruzione, Cartaria INDUSTRIA (totale) 3

4 Titolo del grafico Consumi termici-elettrici energia termica energia termica [GWh] totale previsione chimica, cartaria, materiali costruzione energia elettrica [GWh] energia elettrica Chimica, Mat.Costruzione, y = 6,3078x Cartaria ,6 Lineare (Chimica, Mat.Costruzione, R 2 = 0,8906 Cartaria) Consumi totali industria INDUSTRIA (totale) Energia Termica 4

5 Consumi totali per settore industriale 5

6 Consumi per fonte e per settore industriale 6

7 Settore Industriale: Consumo % di calore richiesto per livello di temperatura 7

8 Settore Industriale: Fabbisogno di calore % per livelli di temperatura e per settore 8

9 Best Available Techniques Reference Documents BREFs 9

10 Energy Efficiency in industry d_ pdf 10

11 Indicatori di efficienza energetica Specific Energy Consumption (SEC) SEC = energia utilizzata prodotto (GJ/ton) Energy Intensity Factor (EIF) EIF = energia utilizzata fatturato prodotto dall impianto (GJ/eur) N.B. energia utilizzata = energia importata energia esportata 11

12 Esempio di definizione di SEC 12

13 Tecniche utilizzabili per l efficienza energetica a livello di impianto ENEMS (Energy Efficency Management System) Pianificazione degli obiettivi EED (Energy Efficient Design) Formazione e valorizzazione delle risorse umane Comunicazione Controllo di processo Manutenzione Energy audit e tecniche di analisi energetica 13

14 Monitoraggio dei consumi: carpet plot 14

15 Carpet plot di un impianto di condizionamento 15

16 Energy signature di impianto a pompa di calore aria-aria HP VRF Consumption (2008) 4'500 4'000 3'500 3'000 kwh 2'500 2'000 1'500 1' C WEEK DAY WEEKEND DAY 16

17 Confronto pompa di calore aria-aria e geotermico Energy signature, consumo specifico giornaliero VRF SYSTEM GSHP Wh/m 2 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 y = 11,587x - 209,71 R 2 = 0,9063 y = 6,288x - 108,44 R 2 = 0, ,0 17,0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 29,0 31,0 Ext. Temperature ( C) 17

18 Diagramma di Sankey 18

19 Impatto dell energia sul costo totale 19

20 Ambiti applicativi per il risparmio energetico a livello di componente, impianto o processo Combustione Produzione del vapore Recupero termico e raffreddamento Cogenerazione Approvvigionamento di energia elettrica Sistemi azionati da motori elettrici Sistemi azionati da aria compressa Impianti di pompaggio Impianti di climatizzazione (HVAC) Illuminazione Processi di essicazione, separazione e concentrazione 20

21 Recupero termico nell industria Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo Riutilizzo dei cascami temici per: Produzione di fluidi caldi tramite scambiatori di calore Produzione di fluidi caldi tramite pompa di calore (calore di recupero = sorgente termica a bassa temperatura) Produzione elettrica (impianto ORC) Produzione del freddo (macchina ad assorbimento) Recupero rigenerativo da aria espulsa o cappe aspiranti per preriscaldamento dell aria di ventilazione 21

22 Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo Numerosi processi industriali presentano domanda contemporanea di calore e freddo. Esiste possibilità di scambio termico tra fluidi che devono essere raffreddati e fluidi che devono essere riscaldati. Si trae vantaggio da risorse che derivano dai processi produttivi riducendo la quantità di risorse esterne. Occorre prevedere un impianto di recupero termico costituito da un numero elevato di scambiatori di calore (rete di scambiatori) La verifica della fattibilità tecnica del recupero termico e il tracciamento della rete di scambiatori di calore possono essere ottenuti con la pinch analysis. 22

23 Applicazione della pinch analysis a un processo metallurgico Possibilità di ridurre di oltre il 50% il fabbisogno di calore e circa 30% il fabbisogno di freddo. T di Pinch 951,3kW 6,887 kw/k C III 152,9 C IV C1 158,1 C 168,8 C V 19,1 C C2 19,1 C C3 19,1 C VI 149 C C4 19,1 C 0,845 kw/k C 0,409 kw/k 230 C 62,4 C 19,1 C II VII C5 36,6kW I 0,436 kw/k 6,312 kw/k C VIII 121,2 C C6 19,1 C 644,6 kw 1,838 kw/k C 19,1 C C7 204 kw 450 C H1 141 kw 450 C H2 120,1kW 450 C H3 158,7 kw 450 C I 450 C 161,2 kw II 151,3 kw 220 C 220 C 220 C 220 C 220 C 150 C 1,739 kw/k 15 C8 19,1 C 228 kw 50 C 25 C VIII 5 19,89 kw/k 497,3 kw III 18 C 6 0,657 kw/k 132,7 kw IV 18 C 7 0,613 kw/k 123,8 kw V 105,4 kw 18 C 8 0,522 kw/k VI 18 C 9 0,69 kw/k 139,4 kw VII 18 C 10 0,701 kw/k 141,6 kw 23

24 Applicazione della pinch analysis a pulp and paper industry Possibilità di ridurre significativamente il fabbisogno di energia primaria (21%), anche attraverso l integrazione di pompe di calore nel processo industriale. 24

25 Recupero termico dai fumi di generatori di calore Uscita fumi Raffreddati Ingresso Acqua da riscaldare Uscita Acqua Riscaldata Ingresso fumi Caldi 25

26 Impianti Ciclo Rankine a Fluido Organico (ORC) Gli impianti ORC sono adatti a produzione elettrica da fonti di calore: a temperatura medio-bassa per le quali non sarebbe conveniente impiegare i cicli a vapore d acqua tradizionali di limitata entità fortemente variabili Tali impianti possono quindi essere alimentati sia da calore di recupero da processi industriali, sia da calore prodotto da fonti rinnvabili (ad es. Biomasse, geotermia a bassa entalpia, ecc.) 26

27 Applicazioni ORC a recupero termico Recupero da gas caldi tramite fluido intermedio (olio diatermico, acqua pressurizzata o vapore) Recupero da effluenti liquidi: scambio diretto fra sorgente di calore primaria e fluido di lavoro ORC Inserimento del recuperatore in by-pass Fluidi di lavoro: Polisilossani per T > 250 C Fluidi refrigeranti per T < 250 C 27

28 ORC: Applicazione a un cementificio Sorgenti termiche disponibili: Gas di combustione del forno (a valle del preriscaldo delle materie prime) con temperature di C Aria di raffreddamento del clinker a temperature più basse (< 300 C) 28

29 ORC: Applicazione a un forno ad arco elettrico (Electric Arc Furnace) 29

30 Produzione del freddo con macchina ad assorbimento H2O-LiBr 30

31 Recupero parziale del calore di condensazione da gruppo frigorifero Calore recuperato (desurriscaldatore) Calore disperso (condensatore) Produzione di freddo (evaporatore) 31

32 Unità di trattamento aria (UTA) con recuperatore di calore Recuperatore aria-aria Recupero di calore sensibile: aria-aria a fluido intermedio Recuperatore rotativo Recuperatore sensibile + latente rotativo 32

33 Recupero di calore nella ventilazione: recupero attivo con pompa di calore Una soluzione più evoluta è il recuperatore attivo, basato sulla pompa di calore aria-aria, in cui l aria espulsa rappresenta la sorgente termica a bassa temperatura nel regime di riscaldamento e il pozzo termico ad alta temperatura nel regime di raffreddamento 33

34 Energy Efficient Design Ottimizzazione di un prodotto industriale (DRL Daylight Running Light con lampade a LED) Ottimizzazione tecnico-economica dei materiali e delle strategie di dissipazione del calore 34

35 Soluzioni per il circuito stampato (PCB): FR4 (sx) IMS (dx) 35

36 Ottimizzazione con SW modefrontier 36

37 Confronto fra soluzioni Risultati (TJ vs costo) per le due soluzioni di PCB (sx) e relativi fronti di Pareto (dx) Le soluzioni con PCB tipo IMS cadono nella parte alta del grafico, mentre quelle con il PCB tipo FR4 sono nella parte bassa, quindi con costi più bassi 37

38 Life-Cycle Analysis / Assessment Life-Cycle Analysis (LCA) è una tecnica di valutazione degli impatti ambientali associati a tutte le fasi di vita di un prodotto dalla culla alla tomba (dall estrazione delle materie prime, alla lavorazione, distribuzione, utilizzo, manutenzione e dismissione / riciclo). Considera gli impatti nei confronti della salute umana, della qualità dell'ecosistema e dell'impoverimento delle risorse anche sotto il profilo economico e sociale 38

39 Fasi della LCA 1. Goal and Scope Definition 2. Life Cycle Inventory Analysis (LCI) 3. Life Cycle Impact Assessment (LCIA) 4. Interpretation 5. Applicable standards ISO (2006): Environmental management Life cycle assessment Principles and framework ISO (2006): Environmental management Life cycle assessment Requirements and guidelines 39

40 Caso studio: trasporto refrigerato Confronto fra due soluzioni progettuali (Prodotto Standard e Prototipo) riguardante: Spessore e materiali isolanti dei pannelli di parete Accessori e modalità di assemblaggio delle porte Elementi strutturali e costruzione della carrozzeria 40

41 Valutazione degli impatti 41

42 Confronto fra le soluzioni progettuali Rispetto al prodotto Standard, il Prototipo determina una riduzione significativa di determinati impatti e una riduzione del danno alla salute umana, alla qualità dell ecosistema e alle risorse 42

43 Grazie per l attenzione! marco.masoero@polito.it