Progetto ASTER – Unioncamere...

“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


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


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.


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.


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


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


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%


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


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


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


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


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


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.


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.


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]


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


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


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


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


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


Esempi applicativi

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

Consumo di vapore orario


Esempi applicativi

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

Consumo di vapore specifico


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

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