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“Ottimizzazione energetica nei processi termici”

Progetto ASTER – Unioncamere Emilia-Romagna“Ottimizzazione energetica dei processi nell’industria alimentare” -

Parma, 17 aprile 2007

Prof. Roberto MassiniUniversità degli Studi di Parma

Dipartimento di Ingegneria IndustrialeArea Tecnologie Alimentari

Laboratorio [email protected]

Università degli Studi di Parma Prof. Roberto Massini: "Ottimizzazione energetica nei processi termici" 2

I contenuti di questa presentazione si riferiscono ad attività di ricerca svolte nell’ambito del Laboratorio Regionale TECAL

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Efficienza energetica nell’industria alimentare

! Solo le grandi imprese possono permettersi un “energy engineer”

! Tranne queste eccezioni, l’industria alimentare è caratterizzata da una bassa efficienza energetica

! Tale inefficienza è per lo più “occulta”, in quanto si conoscono i costi energetici globali, ma non quelli articolati per singole linee di produzione e servizi accessori

! D’altra parte, anche qualora siano noti i dati disaggregati, non sono facilmente disponibili i corrispondenti dati standard di riferimento

! Questo rende difficile l’individuazione degli ambiti di potenziale risparmio energetico e la loro prioritizzazione

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Condizionamenti prevalenti nell’industria alimentare

! Piccola dimensione aziendale

! Scarsa capacità di investimento

! Longevità di macchinari e attrezzature

! Abilità dell’officina interna a fare sopravvivere macchine vetuste accanto a quelle nuove e ad adattare vecchie strutture

! Stagionalità produttiva

L’adattamento di assetti produttivi non concepiti razionalmente anche dal punto di vista dell’efficienza è una delle cause principali di dissipazione energetica.

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Altre considerazioni

! L’assetto tecnologico e impiantistico delle aziende è il risultato di un non facile compromesso tra esigenze economiche e qualitative

! Ma tale compromesso non può essere ottimale se non sono stati presi in considerazione anche gli aspetti energetici

! La scarsa attenzione agli aspetti energetici fa si che, quando si adottano nuovi impianti, spesso il potenziale risparmio ottenibile è reso vano dall’assenza di elementari misure complementari

! La spesa diretta per l’energia rappresenta, nella maggior parte dei casi, circa il 5-6%, mentre Il costo dell’imballaggio può superare il 50% (anche se è difficilmente comprimibile in quanto contribuisce al successo commerciale del prodotto)

! Per la formazione di una mentalità “energetica” non ci i può affidare alle spinte spontanee derivanti dalle convenienze economiche oggettive.

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Energia totale impiegata in alcune produzioni alimentari

18.948Caffè solubile18.591Cioccolato

15.675Cereali da prima colazione

3.542Prodotti disidratati1.815Prodotti surgelati1.485Prodotti da forno1.425Bevande gassate1.206Carni

880Gelati

575Frutta e ortaggi inscatolati

354Latte kcal/kgProdotto

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L’intervento per il risparmio energetico investe l’attività produttiva nel suo complesso

! Dalle caratteristiche dei singoli macchinari all’assemblaggio delle linee

! Dalle tecnologie di produzione all’organizzazione del lavoro

! Dalla ricerca di nuovi processi più efficienti alla razionalizzazione ex novo di fabbriche integrate in zone industriali o miste con caratteristiche complementari

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Risparmio energetico mediamente ottenibile

In aziende medio-piccole:

! Con interventi di corretta gestione e manutenzione: 10-20%

! Con interventi impiantistici a basso investimento: 20-30%

In aziende medio-grandi:

! Con investimenti impiantistici più rilevanti: 30-40%

! Con investimenti di processo elevati: 40-50%

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Esempi di interventi di corretta gestione e manutenzione

! Organizzare i processi produttivi per sfruttare la fascia oraria con energia elettrica a basso costo

! Attivare l’illuminazione artificiale solo dove e quando necessario

! Mantenere attivi i motori elettrici solo quando necessario

! Tenere in corretta manutenzione e regolazione i generatori di vapore

! Eliminare le perdite di vapore sulla rete di distribuzione

! Riparare le coibentazioni termiche deteriorate

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Esempi di interventi impiantistici a basso investimento

! Sostituire motori elettrici sovradimensionati ed a bassa efficienza (50%) con motori di giusta potenza e più efficienti (96%)

! Sfruttare le escursioni termiche dell’ambiente esterno per il condizionamento di magazzini a temperatura controllata

! Pilotare gli aeratori di un depuratore in funzione della concentrazione di ossigeno disciolto

! Eliminare rami morti nella rete di trasporto del vapore

! Coibentare tutte le superfici (anche quelle non piane) a bassa o alta temperatura

! Recuperare energia termica da reflui ad alta o bassa temperatura

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Esempi di interventi impiantistici a maggiore investimento

! Sostituire nastri trasportatori che richiedono elevata potenza elettrica con nuovi trasportatori più efficienti

! Sostituire un forno tradizionale con uno riscaldato per combustione di gas e con recupero interno di calore

! Razionalizzare il lay out di celle a bassa temperatura, con preraffreddatoree anticella

! Sostituire una caldaia spesso sottoutilizzata, con due caldaie più piccole a funzionamento modulare

! Recuperare direttamente in caldaia condense pulite senza depressurizzarle

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Esempi di investimenti a livello di processo

! Installare pompe di calore

! Ricomprimere meccanicamente il vapore refluo

! Sostituire processi tradizionali con processi innovativi a basso consumo

! Gasificare i rifiuti organici ed i fanghi attivi di depurazione

! Cogenerare energia termica ed elettrica

Questi ultimi interventi, per lo più, possono risultare economicamente compatibili a livello di comprensorio produttivo integrato, anche se l’attuale possibilità di vendere l’eccesso di energia elettrica prodotta ha notevolmente allargato l’ambito di compatibilità della cogenerazione

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Ripartizione media del consumo energetico nell’industria alimentare

! 75% combustibili! 25% energia elettrica

Anche se in alcuni settori il rapporto ì circa paritario ed in altri è invertito

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Stima dei consumi di energia termica

! La misura diretta dei flussi di energia nei singoli stadi di processo richiede una professionalità specifica ed è alquanto onerosa, sia per la messa in opera delle strumentazioni sia per la necessità di ripetere le determinazioni in diverse condizioni operative della linea in esame.

! Tuttavia, disponendo di semplici parametri di valutazione teorica, anche un normale tecnico di produzione può acquisire una conoscenza approssimativa della situazione energetica esistente e stimare i vantaggi potenzialmente ottenibili con semplici interventi di razionalizzazione.

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L’autoanalisi energetica

! Delimitato esattamente il sistema che si vuole esaminare (una singola macchina, una linea di produzione, oppure l’intero stabilimento) e definita l’unità di tempo (ora, turno di lavoro, ciclo i lavorazione, anno), è necessario individuare e quantificare tutti gli ingressi e le uscite di massa e di energia.

! I flussi di energia possono essere misurati direttamente o stimati teoricamente in base a parametri di riferimento.

! In tutti i casi è più importante assicurarsi di avere preso in considerazione tutti gli elementi del bilancio e tutte le variazioni di flusso intercorse nell’unità di tempo prescelta, piuttosto che cercare di ottenere una grande precisione nelle singole misure.

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Stima delle dispersioni superficiali

! Convezione (con aria ambiente non ventilata):Qc = h S (Tp-Ta) [W]

h = h’ ((Tp-Ta)/L)0,25 [Wm-2°C]

! Irraggiamento:Qr = ε S (((Tp+273)/100)4 – ((Ta+273)/100)4) [W]

ε = 4,49 [Wm-2°K4]

S = area della superficie della parete [m2]Tp = temperatura media di parete [°C]Ta = temperatura dell’aria ambiente [°C]h’ = 1,33 per parete cilindrica orizzontale

= 1,215 per parete piana verticale= 1,39 per parete piana orizzontale verso l’alto= 0,70 per parete piana orizzontale verso l’alto

L = lato minore della parete o diametro del cilindro [m]

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Perdita per flash da condensa depressurizzata

Flussi in entrata nel serbatoio di raccolta:! Condense a pressione qualsiasi: m1, … mn [kg h-1]

con entalpia associata: H1, … Hn [kcal kg-1]

Flussi in uscita dal serbatoio di raccolta:! Vapore di flash: mx [kg h-1]

con entalpia associata: Hx [kcal kg-1]! Condensa a pressione atmosferica: my [kg h-1]

con entalpia associata: Hy [kcal kg-1]

Per pressione atmosferica = 1 [kg cm-2]:mx = (Σ mi Hi – Σ mi 99) / 539,5my = Σ mi - mx

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Valori approssimativi di riferimento per stimare le dispersioni

! Calore specifico: - dell’acqua = 4,18 kJ kg-1

- di alimenti acquosi = 3,55 kJ kg-1

- di acciaio = 0,46 kJ kg-1

! Densità dell’acciaio = 7.500 kg m-3

! Irraggiamento e convezione in ambiente aerato da parete di acciaio: - inossidabile = 25 kJ mq-1 h-1 °C-1

- arrugginito = 42 kJ mq-1 h-1 °C-1

! Evaporazione da superficie di acqua non schermata:- a 92°C = 10 kg m-2 h-1

- a 98°C = 25 kg m-2 h-1

- all’ebollizione = 40 kg m-2 h-1

! Perdita di vapore dall’apertura di un impianto schermato contenente acqua: - a 98°C = 180 kg m-2 h-1

- all’ebollizione = 800 kg m-2 h-1

! Perdita di vapore da un foro su una conduttura di trasporto a 4 bar:- con diametro del foro 12,7 mm = 250 kg h-1

- con diametro del foro 25,4 mm = 1.000 kg h-1

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Dati per stimare i tempi di ammortamento di investimenti

! Potere calorifero:- di olio combustibile = 40.000 kJ kg-1

- di gas naturale = 34.500 kJ Nmc-1

! Efficienza media di uno scambiatore di calore: 55%

! Efficienza media di un generatore di vaporein buone condizioni e correttamente utilizzato: 85% (*)

! Efficienza media di una linea di trasporto vapore rettificata e in buone condizioni: 95% (*)

(*) Per minimizzare il tempo di ritorno di altri investimenti, è necessariopreliminarmente ottimizzare la generazione ed il trasporto di vapore

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Affidabilità delle stime di autoanalisi

! Per diversi impianti di impiego comune nell’industria conserviera, i consumi di energia termica stimati sono stati confrontati con i flussi di vapore misurati sperimentalmente, installando sulla linea di trasporto direttamente a monte dell’utenza appositi orifizi tarati e trasduttori di pressione e di pressione differenziale ed elaborando i dati acquisiti in conformità alla norma CNR-UNI 10023.

! Considerata la variabilità delle misure sperimentali, i valori stimati non sono risultati significativamente diversi

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Esempi applicativi

Efficienza termica di impianti per pastorizzare prodotti ad elevata acidità in scatole da ½ kg: - per 60 minuti a 98-100°C a scatola ferma

- per 30 minuti a 98°C a scatola rotante

520,09Come sopra,con pareti coibentate

320,14Continuo rotante a vapore, termoregolato a 98°C

270,18Continuo statico ad acqua, riscaldata indirettamente a 98°C

290,16Bagno aperto all’ebollizione, con iniezione diretta di vapore

Efficienza vapore(%)

Consumo vapore(kg/confezione)Tipo di impianto

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Esempi applicativi

Pastorizzatore continuo a scatola rotante per pomodoro cubettato in scatole da ½ kg

Consumo di vapore orario

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Esempi applicativi

Pastorizzatore continuo a scatola rotante per pomodoro cubettato in scatole da ½ kg

Consumo di vapore specifico

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Esempi applicativi

Per uno stabilimento che trasforma frutta e pomodoro, dati su base annua,con 80% di carico medio

- 29%- 29%- 16%0variazioni0,02243.20047.060143.000razionalizzato0,03174.53056.200143.000originario

Consumo specifico

(o.c./m.p.)

Olio combustibile

(ton)

Vapore impiegato

(ton)

Materie prime(ton)

Assetto

N.B. la riduzione del consumo specifico è ottenuta:- per il 6,5% con razionalizzazione gestionale- per il restante 22,5% con investimento ad ammortamento semplice 1 anno