L EFFICIENZA ENERGETICA IN AMBITO INDUSTRIALE: UNA SCELTA IMPRENDITORIALE

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Violetta Bianchini
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1 UN AZIENDA CON MENO INFORTUNI, MENO INQUINAMENTO, PIU RISPARMIO ENERGETICO SOSTENIBILITA' E BUSINESS L EFFICIENZA ENERGETICA IN AMBITO INDUSTRIALE: UNA SCELTA IMPRENDITORIALE Prof. Ing. Cesare Saccani DIEM - Università degli Studi di Bologna Unindustria Bologna, 1 Luglio 2009

AMBITO INDUSTRIALE: UNA SCELTA IMPRENDITORIALE Prof. Ing.

2 AGENDA L efficienza energetica Impianti per la cogenerazione di energia La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili Processi industriali termici Combustibili Un esempio L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 2

termici Combustibili Un esempio L efficienza energetica in ambito

3 L efficienza energetica Per arrivare ad un uso razionale dell energia si rende necessaria una conoscenza approfondita dei processi industriali (utente) e degli impianti di produzione dell energia (fornitore). L efficienza energetica del processo industriale nel suo complesso è un elemento strategico imprescindibile in un Paese come il nostro energeticamente dipendente da combustibili fossili provenienti dall estero. E necessario analizzare i processi industriali nell ottica di realizzare quell integrazione necessaria alla massimizzazione dell efficienza energetica, avendo chiare le opportunità e i limiti del mercato energetico. L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 3

L efficienza energetica del processo industriale nel suo complesso è un elemento strategico imprescindibile in un Paese come il nostro energeticamente dipendente da combustibili fossili

4 AGENDA L efficienza energetica Impianti per la cogenerazione di energia La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili Processi industriali termici Combustibili Un esempio L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 4

5 Impianti per la cogenerazione di energia Per verificare se un impianto sia o no cogenerativo è necessario calcolare l indice di risparmio di energia IRE e il limite termico LT secondo le modalità imposte dal decreto legislativo del 16 marzo IRE: l Indice di Risparmio di Energia è stato imposto a sostegno di un utilizzo sempre più efficiente di energia prodotta in modo cogenerativo. Tale valore deve essere maggiore di 0,1 per potere definire l impianto cogenerativo ai fini normativi. IRE = 1 Ee η es LT: il Limite Termico è il rapporto tra l energia termica utile annualmente prodotta Et e l effetto utile complessivamente generato su base annua dalla sezione di produzione combinata di energie elettrica e calore, pari alla somma dell energia elettrica netta e dell energia termica utile prodotte. Tale valore deve essere maggiore di 0,15. L T p Ec Et + η = civ ts, civ E t E e + Et + η ts, ind E t ind Ec = energia combustibile (cogenerazione) Ee= energia elettrica (impianti separati) Etciv= energia termica uso civile (impianti separati) Etind= energia termica uso industriale (impianti separati) ηes= rendimento elettrico medio annuo ηts= rendimento termico medio annuo p = coefficiente di minori perdite LT = limite termico Et= energia termica Ee= energia elettrica L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 5

Tale valore deve essere maggiore di 0,1 per potere definire l impianto cogenerativo ai fini normativi.

6 Impianti per la cogenerazione di energia Il campo di impiego della cogenerazione può in teoria variare da potenze di qualche decina di kw fino alle centinaia di MW. Le fondamentali tipologie cogenerative sono: - turbine a vapore, - turbine a gas, - motori a combustione interna. L energia termica prodotta può essere impiegata per produrre: - acqua calda, che viene utilizzata in impianti di riscaldamento, - vapore saturo, che viene utilizzato per processi tecnologici industriali, - vapore surriscaldato, che viene utilizzato per impianti di potenza. L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 6

L energia termica prodotta può essere impiegata per produrre: - acqua calda, che viene utilizzata in impianti di riscaldamento, - vapore saturo, che viene utilizzato

7 Impianti per la cogenerazione di energia I motori a combustione interna rappresentano una soluzione di largo impiego per le basse potenze ( 0,1 10 MW di potenza elettrica). Dal circuito di raffreddamento motore, dove si raggiungono temperature pari a C, è possibile recuperare una quota di energia pari al 22%. Dai gas di scarico, che raggiungono temperature pari a C, si può recuperare una quota di energia pari al 24%. La produzione di energia elettrica rappresenta all incirca il 35% dell energia immessa 24 % Et (450 C) 100% combustibile 22 % Et (85 C) 19 % Perdite 35 % Ee L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 7

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

8 Impianti per la cogenerazione di energia I turbogas rappresentano una soluzione di largo impiego per le elevate potenze (in un range compreso tra 1 e 250 MW di potenza elettrica). Dai gas di scarico, che raggiungono temperature intorno a C, si può recuperare una quota di energia pari al 55-60%. La produzione di energia elettrica rappresenta all incirca il 25% dell energia immessa 100% combustibile 60 % Et (450 C) 15 % Perdite 25 % Ee L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 8

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

9 AGENDA L efficienza energetica Impianti per la cogenerazione di energia La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili Processi industriali termici Combustibili Un esempio L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 9

10 La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili I cicli organici (ORC Organic Rankine Cycle) permettono la generazione di elettricità sfruttando come mezzo per lo scambio termico olio diatermico a temperature relativamente basse (T 300 C). I turbogeneratori hanno potenze comprese tra 250 kwe 2 MWe. Il calore di condensazione è recuperato ed usato per produrre acqua calda a C. Tali macchine trovano un ottima applicazione nelle centrali di cogenerazione a biomassa. Vantaggi Bassa manutenzione Elevata affidabilità Assenza di vapore: semplificazione tecnologica Rendimento elettrico costante a carichi parziali Svantaggi Alti costi di investimento Caldaia con circuito ad olio diatermico Smaltimento olio diatermico esausto Rendimenti elettrici limitati L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 10

Tali macchine trovano un ottima applicazione nelle centrali di cogenerazione a biomassa.

11 AGENDA L efficienza energetica Impianti per la cogenerazione di energia La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili Processi industriali termici Combustibili Un esempio L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 11

12 Processi industriali termici Processi termici a bassa entalpia: -Trattamento di rinvenimento ( C): acciai da costruzione -Trattamento di rinvenimento ( C): acciai per molle -Trattamento di invecchiamento martensitico ( C): acciai con Ti, Nb, Al, Mo -Trattamenti di ricottura (350 C): leghe di Al inc rudite -Distensione (230 C): alluminio -Trattamento di invecchiamento artificiale ( C): leghe di Al Processi termochimici a bassa entalpia: - Nitrurazione (500 C): con corrente di ammoniaca gas sosa - Calorizzazione di alluminatura (450 C): ricottura in tamburo rotante di reazione - Sherardizzazione ( C): ricottura con polvere di zinco - Borizzazione (550 C): in gas o bagni di sali L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 12

artificiale (150-200 C): leghe di Al Processi termochimici a bassa entalpia: - Nitrurazione (500 C): con corrente di ammoniaca gas sosa - Calorizzazione di alluminatura (450 C): ricottura in tamburo

13 Processi industriali termici Gruppi frigoriferi ad assorbimento: - Ammoniaca: temperatura acqua calda al generatore C - Bromuro di litio: temperatura acqua al generatore C Steam reforming del metano: - Con membrana metallica (lega Pd/Ag): produzione di idrogeno da metano a C 16 kg x kj/kg = 784 MJ H 2 O + CALORE CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 (reazione complessiva) CH 4 REFORMING MEMBRANA H 2 CO 2 8 kg x kj/kg = 960 MJ POTERE CALORIFICO +22% C L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 13

C 16 kg x 49.000 kj/kg = 784 MJ H 2 O + CALORE CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 (reazione complessiva) CH 4 REFORMING MEMBRANA H 2 CO 2 8 kg x 120.

14 AGENDA L efficienza energetica Impianti per la cogenerazione di energia La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili Processi industriali termici Combustibili Un esempio L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 14

15 Combustibili I combustibili derivanti da fonti rinnovabili impiegabili in impianti di cogenerazione possono essere riassunti in: - biomassa di tipo ligneo-cellulosico (caldaia con ciclo OCR) - oli vegetali (motore a combustione interna) - biodiesel (motore a combustione interna) - reflui zootecnici (previa gassificazione, utilizzo del syngas in turbina o MCI) - idrogeno (da steam reforming di metano o syngas, utilizzo in turbina o MCI) Inseriamo nella lista anche gli oli esausti, per i quali il recupero energetico rappresenta ancora un settore poco sfruttato ( tonn bruciate nel 2007 in Italia, circa il 17% del totale raccolto, fonte Consorzio Obbligatorio Oli Usati). L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 15

metano o syngas, utilizzo in turbina o MCI) Inseriamo nella lista anche gli oli esausti, per i quali il recupero energetico rappresenta ancora un settore poco sfruttato (37.

16 AGENDA L efficienza energetica Impianti per la cogenerazione di energia La cogenerazione di energia da fonti rinnovabili Processi industriali termici Combustibili Un esempio L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 16

17 Un esempio Esempio di impianto di cogenerazione con biomassa di matrice ligneo-cellulosica (Austria 2004) - caldaia (a griglia fissa o mobile) con scambiatore di calore per olio diatermico (a C) e turbogeneratore ORC - potenza termica: 5 MWt - potenza elettrica: 1 MWe - consumo biomassa: ton/anno (mix corteccia-segatura) Costo d impianto: circa 4 milioni di Produzione annua biomassa (SRF, Short Rotation Forestry, di pioppo): 17 ton/ha anno (Fonte: Rinnovabili e Ambiente, 2008) L efficienza energetica in ambito industriale: una scelta imprenditoriale - Prof. Ing. Cesare Saccani - DIEM - 17

000 ton/anno (mix corteccia-segatura) Costo d impianto: circa 4 milioni di Produzione annua biomassa (SRF, Short Rotation Forestry, di pioppo): 17

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