EFFICIENZA ENERGETICA E INDUSTRIA CERAMICA 4.0

Sviluppo di un sistema di monitoraggio delle prestazioni energetiche

Relatore: Giuliano De Pin – NIER Ingegneria, Castel Maggiore (BO)

INNOVAZIONE DI PROCESSO PER LA FILIERA DELLA PIASTRELLA CERAMICA SOSTENIBILE

Confindustria Ceramica, Sassuolo 22/02/2017

IPERCER 2

Sommario

1. Chi è NIER Ingegneria SpA

2. Ruolo di NIER nel progetto IPERCER

Percorso di ricerca:

3. Mercato ed energia nell’industria ceramica

4. Analisi energetica: cottura

5. Analisi energetica: post-cottura

IPERCER 3

MILANO

BOLOGNA

Chi è NIER Ingegneria

• 40 anni di storia e di esperienza

• 100 persone che lavorano con noi su 2 sedi

• Centinaia di clienti in tutta Italia

• Capofila di un gruppo di aziende:

NSI Nier Soluzioni Informatiche

TELOS – società di progettazione interventi di efficientamento

• Membro di Consorzi che operano a livello nazionale e internazionale:

TECNION – società specializzata nella progettazione integrata

CO.META – E.S.C.O. certificata UNI 11352: 2014

• Principali settori di business: GDO, industria, multiutilities, alimentare, ristorazione, …

• Azienda certificata ISO 9001, ISO 14001, OHSAS 18001

1. NIER Ingegneria

• Società di consulenza ingegneristica

• Laboratorio di ricerca accreditato dal MIUR e dalla regione Emilia Romagna

IPERCER 4

1. NIER Ingegneria 1. NIER Ingegneria – Ambiti tematici

SISTEMI DI GESTIONE

RICERCA

RISCHIO

TRASPORTI E MOBILITÀ

AMBIENTE

ENERGIA

SICUREZZA

AFFIDABILITÀ

IPERCER 5

PROGETTAZIONE E MODELLAZIONE ENERGETICA

DIAGNOSI ENERGETICHE

SISTEMI DI GESTIONE DELL’ENERGIA ISO 50001

PROGETTI DI RICERCA

1. NIER Ingegneria – Settore energia

o n° 10 Lead Auditor certificati ISO 50001

o n° 2 EGE (Esperti in Gestione dell’Energia) certificati dal TUV

o n° 5 Dottori di ricerca (PhD) in ambito energetico

o n° 10 Esperti in attività di diagnosi energetiche

La gestione efficiente dell’energia

IPERCER 6

Ruolo di NIER Ingegneria nel contesto di ricerca IperCER

Analisi energetica dei processi di cottura e post cottura;

individuazione di soluzioni per il loro efficientamento mediante operazioni di monitoraggio dei consumi energetici.

INCREMENTO DELLA SOSTENIBILITA’ DEL

PRODOTTO CERAMICO

• Analisi delle caratteristiche di processo

• Monitoraggio dei consumi energetici

• Elaborazione dati con individuazione dei KPI (Key Performance Indicator) più rappresentativi.

• Confronto con la baseline di riferimento.

• Sviluppo di uno strumento per l’analisi dei dati e dei consumi energetici.

• Individuazione di soluzioni tecniche e gestionali per la riduzione dei consumi energetici.

2. NIER e IPERCER

IPERCER 7

Ripartizione dei costi di produzione nell'industria ceramica

Il consumo di energia nel processo di produzione della ceramica in Europa può incidere fino a un terzo sui costi totali di produzione.

30%

30%

30%

10%

Energia Manodopera

Materie prime Altri costi di produzione

3. Mercato ed energia

Fonte: Cerame-UNIE (2013)

IPERCER 8

Andamento della produzione di piastrelle in EU e nel resto del mondo dopo la crisi economica

Nuovi elementi che influenzano l’efficienza del processo ceramico riduzione della dimensione degli ordini e quindi dei lotti di produzione moltiplicazione del numero di prodotti a catalogo maggiore frequenza dei cambi prodotto in linea introduzione di prodotti a spessore maggiorato e di grandi formati

Fonte: Gabaldòn 2014

IPERCER 9

Politica energetica europea per l’industria ceramica

Direttiva 2010/75/EU sulle emissioni industriali (IPPC - Integrated Pollution Prevention and Control)

Best available techniques Reference document (BREFs)

European Union Emissions Trading Scheme - EU ETS

COM (2011) 112 final. A Roadmap verso una low carbon economy in 2050

I costi energetici, sono da due a quattro volte più elevati nell'UE che nei paesi concorrenti

Obbligo di riduzione significativa delle emissioni di CO2

Riduzione dei consumi energetici di processo Maggiore competitività

Ottenere precise informazioni numeriche sul comportamento delle macchine di processo e controllarne i consumi è un passo fondamentale verso lo sviluppo ottimale dell’efficienza energetica del processo stesso e della riduzione dei consumi energetici.

IPERCER 10

Consumi energetici globali

2010 2011 2012 2013 2014

Ciclo completo 3,5 3,8 3,7 4,2 4,2

Ciclo parziale 3,2 3,4 3,3 3,3 3,2

3

3,2

3,4

3,6

3,8

4

4,2

4,4

GJ/

t

Consumo specifico gas naturale Gres porcellanato

2010 2011 2012 2013 2014

Ciclo completo 0,62 0,65 0,63 0,71 0,68

Ciclo parziale 0,51 0,63 0,6 0,61 0,58

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

GJ/

t

Consumo specifico energia elettrica Gres porcellanato

86%

14%

Ripartizione vettori energetici 2014 - Emilia Romagna

Ciclo completo

Gasnaturale

Energiaelettrica

Fonte: Centro ceramico, Rapporto integrato 2010-2014, Industrie produttrici di piastrelle di ceramica. Fattori di impatto e prestazioni ambientali, Confindustria ceramica, 2016

IPERCER 11

Ripartizione dei consumi energetici nelle diverse fasi di processo

40%

8%

52%

Gas naturale

Reparto impasti

Essiccamento

Cottura

43%

57%

Energia elettrica Atomizzatore, mulini

Presse, essiccatoi, linee di smalteria,compressori, filtri, forni, linee post cottura

Parametro Unità di misura Risultato

Consumo specifico medio di gas naturale, riferito all’unità di

massa di prodotto versato a magazzino

GJ/t 4,97

Consumo specifico medio di energia elettrica, riferito all’unità di

massa di prodotto versato a magazzino

GJ/t 0,86

Consumo specifico totale medio di energia, riferito all’unità di

massa di prodotto versato a magazzino

GJ/t 5,83

IPERCER 12

Analisi del processo di cottura

L’analisi termodinamica applicata ai forni per la cottura di lastre in ceramica mostra un’efficienza termica limitata del sistema: soltanto il 5-20% dell’energia in ingresso viene utilizzata per la cottura (reazioni chimiche). La quota rimanente viene persa attraverso i fumi al camino, l’aria di raffreddamento, il prodotto finito (lastre cotte) e la dispersione attraverso pareti e volte del forno.

Fonte: Mezquita, A. et al. Energy saving in ceramic tile kilns: Cooling gas heat recovery. Applied Thermal Engineering, 2014, vol. 65, no 1, p. 102-110.

4. Analisi energetica: cottura

IPERCER 13

Analisi del processo di cottura

Fonte: Mezquita, A. et al. Energy saving in ceramic tile kilns: Cooling gas heat recovery. Applied Thermal Engineering, 2014, vol. 65, no 1, p. 102-110.

Il bilancio energetico del forno è un importante strumento per identificare gli input e gli output di energia dal forno.

IPERCER 14

Analisi del processo di cottura

La cottura nel forno comprende una serie di processi simultanei di riscaldamento radiativo e convettivo, dipendenti da numerosi parametri operativi, quali

• Portata di gas naturale ai bruciatori

• Temperatura e portata dell’aria comburente

• Temperatura e portata dell’aria di raffreddamento

• Concentrazione di ossigeno nei fumi

• Pressioni di aspirazione e mandata dei ventilatori

• Velocità di avanzamento delle lastre

Il sistema di controllo e regolazione del forno monitora e gestisce questo insieme di parametri al fine di seguire la curva di cottura, determinata per l’ottenimento del prodotto finito voluto.

Fonte: Sacmi Forni)

IPERCER 15

Analisi statistica dei dati monitorati

Per la quantificazione ed il monitoraggio nel tempo delle prestazioni energetiche di un processo industriale lo standard ISO 50001 suggerisce l’uso di EnPI (Energy Performance Indicator).

L’obiettivo è quello di estrapolare degli indicatori di prestazione idonei a descrivere le prestazioni energetiche del processo di cottura delle grandi lastre, a partire dai parametri misurati in continuo dal sistema di controllo del forno.

Analisi in Componenti Principali (PCA)

La PCA è una metodologia di statistica multivariata che intende individuare gli elementi dominanti all’interno di un insieme di dati multidimensionali, per descrivere sinteticamente il comportamento del sistema.

Permette di ridurre la dimensione del problema, individuando un numero limitato di parametri non misurabili, ottenuti come combinazione delle grandezze monitorate

PCA

Definizione

KPI

Strumento di gestione e

monitoraggio dei consumi

IPERCER 16

Processi di post-cottura

Si intende valutare il peso sui consumi energetici di natura elettrica, dovuto ad alcuni processi e lavorazioni a valle del forno

Data l’esigua letteratura tecnico-scientifica relativa ai consumi di tali processi si sta procedendo con la misurazione in continuo della potenza elettrica assorbita dai rispettivi macchinari.

5. Analisi energetica: cottura

IPERCER 17

Processi di post-cottura

L’analisi dei dati derivanti dalle misurazioni elettriche permette di sviluppare un modello semi-empirico dei consumi energetici:

correlazione fra i consumi energetici, quantità di materiale asportato e tipologia di prodotto.

Fonte: Sousa F. J. P. et al. Evaluation of texture distribution during the industrial polishing process of porcelain stoneware tiles. Journal of the European Ceramic Society 33 (2013) 3369–3378

IPERCER 18

Avanzamento della ricerca

Ricerca bibliografica

Individuazione BAT

Analisi preliminare consumi

Estrazione dei parametri di conduzione del forno

Sviluppo del modello di bilancio energetico del forno

Monitoraggio dei consumi elettrici sulla linea di post-cottura

Sviluppo del modello energetico semi-empirico sulla linea di post-cottura

Analisi statistica

Definizione dei KPI

Sviluppo di uno strumento di monitoraggio dei consumi

IPERCER 19

Grazie

NIER Ingegneria S.p.A.

Via Clodoveo Bonazzi, 2

40013 Castel Maggiore (BO)

Tel. 051 039 10 00

www.niering.it

Settore energia:

Fabio Coccia – f.coccia@niering.it Giuliano De Pin – g.depin@niering.it