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Dipartimento Energia
Convegno
Fabbrica FuturoIdee e strumenti per l’impresa manifatturiera di domani
Torino, 10 giugno 2015
Soluzioni per l’efficienza energetica e l’usoottimale delle risorse nei processi industriali
M. Masoero
Dipartimento Energia – Politecnico di Torino
Dipartimento Energia
Bilancio energetico nazionale
2
Dipartimento Energia
previsione
Usi elettrici finali (Provincia Torino - Industria)
-
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.5001
99
0
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
20
14
20
15
20
16
20
17
20
18
20
19
20
20
[GW
h]
-
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
Meccanica Mezzi di Trasporto e collegati Beni e servizi persona/casa
Chimica, Mat.Costruzione, Cartaria INDUSTRIA (totale)
totale (asse )
mezzi di trasportoe settori collegati
meccanica
chimica, cartaria, materiali costruzione
beni e servizi persona/casa
3
Dipartimento Energia
previsioneConsumi termici-elettrici
-
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
10.00020
00
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
INDUSTRIA (totale) Energia Termica
energia termica
energia elettrica
Consumi totali industria
Titolo del grafico
y = 6,3078x + 1739,6
R2 = 0,8906
-
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
- 200 400 600 800 1.000 1.200
energia elettrica [GWh]
en
erg
ia t
erm
ica [
GW
h]
Chimica, Mat.Costruzione, Cartaria
Lineare (Chimica, Mat.Costruzione, Cartaria)
chimica, cartaria,
materiali costruzione
totale
4
Dipartimento Energia
Consumi totali per settore industriale
5
Dipartimento Energia
Consumi per fonte e per settore industriale
6
Dipartimento Energia
Settore Industriale: Consumo % di calore
richiesto per livello di temperatura
7
Dipartimento Energia
Settore Industriale: Fabbisogno di calore %
per livelli di temperatura e per settore
8
Dipartimento Energia
Best Available Techniques Reference Documents BREFs
http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/
9
Dipartimento Energia
Energy Efficiency in industryhttp://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/ENE_Adopte
d_02-2009.pdf
10
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
Esempio di definizione di SEC
12
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
Monitoraggio dei consumi: carpet plot
14
Dipartimento Energia
Carpet plot di un impianto di condizionamento
15
Dipartimento Energia
Energy signature di impianto a pompa di calore aria-aria
16
HP VRF Consumption (2008)
0
500
1'000
1'500
2'000
2'500
3'000
3'500
4'000
4'500
-3 2 7 12 17 22 27 32
°C
kW
h WEEK DAY
WEEKEND DAY
Dipartimento Energia
Confronto pompa di calore aria-aria e geotermico
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Energy signature, consumo specifico giornaliero
y = 11,587x - 209,71
R2 = 0,9063
y = 6,288x - 108,44
R2 = 0,7698
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
15,0 17,0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 29,0 31,0
Ext. Temperature (°C)
Wh/m2
VRF SYSTEM GSHP
Dipartimento Energia
Diagramma di Sankey
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Dipartimento Energia
Impatto dell’energia sul costo totale
19
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
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.
126,887 kW/K230 C
5 19,89 kW/K
10 0,701 kW/kI
9 0,69 kW/KH3
8 0,522 kW/KH2
7 0,613 kW/KH1
6 0,657 kW/KII
T di Pinch
220 C
220 C
220 C
220 C
220 C
151,739 kW/K
25 C
18 C
18 C
18 C
18 C
18 C
150 C 19,1 C
141,838 kW/K130 C 19,1 C
136,312 kW/K200 C
160,845 kW/K600 C 19,1 C
450 C
450 C
450 C
450 C
450 C
50 C
III
III
152,9 C
132,7 kW
IV
IV
123,8 kW
V
V
105,4 kW
VI
VI
139,4 kW
VII
VII
141,6 kW
C5
VIII
497,3 kW
VIII
C7
C8
19,1 CC1
19,1 CC2
19,1 CC3
19,1 CC4
158,1 C
168,8 C
149 C
19,1 CC6
121,2 C
228 kW
204 kW
644,6 kW
36,6kW
951,3kW
141 kW
120,1kW
158,7 kW
I
II230 C
161,2 kW
151,3 kW
62,4 C0,409 kW/K
0,436 kW/K
23
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
Recupero termico dai fumi di generatori di calore
25
Ingresso
fumi Caldi
Uscita fumi
Raffreddati
Ingresso Acqua
da riscaldare
Uscita Acqua
Riscaldata
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
ORC: Applicazione a un cementificio
Sorgenti termiche disponibili:
• Gas di combustione del forno (a valle del
preriscaldo delle materie prime) con temperature
di 250-400°C
• Aria di raffreddamento del clinker a temperature
più basse (< 300°C)
28
Dipartimento Energia
ORC: Applicazione a un forno ad arco
elettrico (Electric Arc Furnace)
29
Dipartimento Energia
Produzione del freddo con macchina ad
assorbimento H2O-LiBr
30
Dipartimento Energia
Recupero parziale del calore di
condensazione da gruppo frigorifero
Produzione di freddo
(evaporatore)
Calore disperso
(condensatore)Calore recuperato
(desurriscaldatore)
31
Dipartimento Energia
Unità di trattamento aria (UTA) con
recuperatore di calore
Recuperatore
aria-aria
Recuperatore
rotativo
Recupero di calore sensibile:• aria-aria• a fluido intermedio
Recuperatore sensibile + latente• rotativo
32
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
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
Dipartimento Energia
Soluzioni per il circuito stampato (PCB): FR4 (sx) IMS (dx)
35
Dipartimento Energia
Ottimizzazione con SW modeFRONTIER®
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Dipartimento Energia
Confronto fra soluzioni
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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
Dipartimento Energia
Life-Cycle Analysis / Assessment
• Life-Cycle Analysis (LCA) è una tecnica divalutazione degli impatti ambientali associati atutte le fasi di vita di un prodotto “dalla culla allatomba” (dall’estrazione delle materie prime, allalavorazione, distribuzione, utilizzo, manutenzionee dismissione / riciclo).
• Considera gli impatti nei confronti della saluteumana, della qualità dell'ecosistema edell'impoverimento delle risorse anche sotto ilprofilo economico e sociale
38
Dipartimento Energia
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 14040 (2006): Environmentalmanagement – Life cycle assessment –Principles and framework
• ISO 14044 (2006): Environmentalmanagement – Life cycle assessment –Requirements and guidelines
39
Dipartimento Energia
Caso studio: trasporto refrigerato
• Confronto fra due soluzioni progettuali (ProdottoStandard e Prototipo) riguardante:
– Spessore e materiali isolanti dei pannelli di parete
– Accessori e modalità di assemblaggio delle porte
– Elementi strutturali e costruzione della carrozzeria
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Dipartimento Energia
Valutazione degli impatti
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Dipartimento Energia
Confronto fra le soluzioni progettuali
Rispetto al prodotto Standard, il Prototipo determina una riduzionesignificativa di determinati impatti e una riduzione del danno alla saluteumana, alla qualità dell’ecosistema e alle risorse
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