Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Convenzione di Ricerca
PROGETTO EMAS APO SPL CHIMICO-FARMACEUTICO
Relazione finale
“Strumenti di gestione energetica per il
settore chimico-farmaceutico”
Realizzato da
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Dipartimento di Meccanica, Strutture, Ambiente e Territorio
Università degli Studi di Cassino
In collaborazione con
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Indice
1. Premessa
2. Sistemi di gestione dell’energia
3. Strumenti di gestione energetica per il settore chimico farmaceutico:
Servizio aria compressa
3.1 Ottimizzazione degli impianti per la produzione di aria compressa
3.2 Un codice di calcolo per la diagnosi energetica e l’LCC del sistema di
aria compressa
3.3 Bibliografia
4. Strumenti di gestione energetica per il settore chimico farmaceutico:
Sistema produzione freddo
4.1 Ottimizzazione del sistema di produzione e distribuzione del freddo
4.2 Un codice di calcolo per la diagnosi energetica e l’LCC del sistema di
produzione e distribuzione del freddo
4.3 Bibliografia
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1. Premessa
La presente attività di ricerca espletata dall’Università degli studi di Cassino si inserisce nell’ambito
del progetto “EMAS di Distretto finalizzato all’Attestato APO (Ambiti Produttivi Omogenei)” che
la Camera di Commercio di Latina ha promosso al supporto delle singole organizzazioni del
comparto chimico – farmaceutico operante nel territorio della provincia di Latina. Il progetto,
approvato dalla Regione Lazio e finanziato attraverso i fondi della L.R. 36/2001 e del Ministero
dello Sviluppo Economico, ha l’obiettivo fondamentale di conseguire l’attestazione EMAS APO del
sistema produttivo locale chimico-farmaceutico della provincia di Latina.
Il progetto prevede inoltre una serie di attività specifiche tra cui: i) la rilevazione dei dati relativi ai
principali impatti ed aspetti ambientali (sia presso le imprese che presso gli Enti del territorio); ii) la
costituzione di un Comitato Promotore composto, oltre che dalla Camera di Commercio, dalla
Provincia di Latina e dai Comuni coinvolti nel sistema produttivo (Latina, Sermoneta, Cisterna di
Latina ed Aprilia), e da Confindustria Latina in rappresentanza delle aziende coinvolte nella
progettualità; iii) la diffusione dei sistemi di gestione ambientale nel territorio dell’Ambito
Produttivo Omogeneo chimico-farmaceutico di Latina; iv) la predisposizione e l’utilizzo di
strumenti di gestione comuni, soluzioni tecniche e servizi collettivi destinati alle imprese ivi
localizzate.
In tale rapporto vengono presentate alcuni strumenti di gestione dell’energia progettati ed
implementati dall’Università di Cassino, in collaborazione con l’ENEA Frascati ed il Palmer scarl,
che hanno visto una prima applicazione e validazione presso due stabilimenti del settore chimico –
farmaceutico della provincia.
Gli strumenti gestionali sono stati proposti ad un tavolo di lavoro congiunto costituitosi presso
Confindustria Latina che ha visto la partecipazione delle aziende Abbott, Janssen, Intervet, Acraf,
Ibi, Alfadati, oltre che gli attori istituzionali del progetto (CCIAA di Latina, Confindustria Latina,
Palmer, ENEA, Università di Cassino). In tale sede sono state definite le specifiche delle attività di
progettazione e sviluppo degli strumenti per la gestione energetica applicata ai principali servizi del
settore chimico-farmaceutico (e.g. centrale termica, aria compressa, illuminazione, …).
Gli strumenti software di gestione energetica implementati sono stati quelli relativi al servizio aria
compressa ed alla centrale termo frigorifera. Essi possono essere replicabili per tutte le utenze
energetiche e costituiscono in tal senso un vero e proprio modello di gestione e diagnosi energetica .
Il modello prodotto può inoltre essere customizzato da ogni azienda anche ai fini di una
certificazione UNI EN 16001 o ISO 50001.
Gli strumenti di diagnosi energetica sono stati validati mediante sopralluoghi presso due siti di
aziende afferenti al SPL, con l’applicazione ad un aspetto/problematica tipo caratteristica dei siti
produttivi. Sono stati infine pianificati degli audit energetici mirati che verranno effettuati entro il
termine del progetto presso almeno due aziende che hanno dato la propria adesione e mostrato
interesse per l’esecuzione dell’attività. I risultati sperimentali e le modalità operative per la
conduzione degli audit potranno rappresentare il presupposto per estendere le modalità adottate
anche alle altre aziende del SPL.
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2. Sistemi di gestione energetica
Negli ultimi anni il tema della gestione energetica è diventato sempre più attuale e stringente sia a
causa della forte interconnessione delle problematiche energetiche a quelle ambientali (con
particolare riferimento ai cambiamenti climatici determinati dalle emissioni di CO2 ed
all’inquinamento atmosferico prodotto dalla combustione delle fonti fossili), sia per il
depauperamento delle riserve fossili con il conseguente aumento dei prezzi del petrolio e del gas
naturale.
nel settore chimico farmaceutico, in particolare, la fattura energetica raggiunge spesso il 20-30% del
costo di produzione e rappresenta il quarto settore in termini di consumi di energia, secondo solo al
settore siderurgico, costruzioni e meccanico (Figura 2.1). In generale, nel settore industriale il
consumo di energia elettrica ha superato nell’ultimo decennio il 30% dell’energia consumata in
Italia (Figura 2.2). In un paese come l’Italia che presenta un elevato costo dell’energia ciò produce
un forte differenziale rispetto ai competitori internazionali. Questi ultimi infatti, hanno fatto scelte
diverse di politica energetica e stanno beneficiando degli effetti positivi che derivano dal processo
di liberalizzazione dei mercati dell’energia; la situazione creatasi costituisce, pertanto, un forte
danno per le imprese italiane, soprattutto per quelle appartenenti ai settori “energy intensive”.
Fig. 2.1 - Distribuzione dei consumi finali di energia per settore industriale in Italia [Fonte ENEA]
Fig. 2.2 - Andamento dei prelievi elettrici industriali in Italia [Fonte ENEA]
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Fig. 2.3 - Andamento dei consumi di energia nel settore chimico [Fonte MISE]
Al fine di controllare e ridurre i costi energetici di un’impresa ed i relativi impatti ambientali, negli
ultimi anni sono stati elaborati una serie di modelli volontari che consentono di gestire in modo
attento e razionale l’energia.
Implementare un sistema di gestione energetica significa applicare uno strumento aziendale che,
basandosi su procedure e sistemi informativi dettati da specifiche norme, favorisce l'impegno da
parte della direzione dell'Organizzazione allo sviluppo di modalità di autogestione ed autocontrollo
e al rispetto delle normative cogenti, rendendola in tal modo l’azienda più competitiva sul mercato.
La nuova norma ISO 50001 affronta la tematica relativa alla gestione ed al contenimento dei
consumi energetici, completando il quadro normativo delle ormai consolidate norme ISO 9001 sui
sistemi di gestione per la qualità e ISO 14001 sui sistemi di gestione ambientale.
La EN 16001 e la ISO 50001 specifica i requisiti per la definizione di un sistema di gestione
dell’energia consentendo ad un’Organizzazione, di qualsiasi dimensione e tipologia (sia che essa
produca un bene o eroghi un servizio) di utilizzare un approccio sistematico per un miglioramento
continuo delle proprie prestazioni energetiche; ciò si traduce in un utilizzo più efficiente dei sistemi
energetici e in un minor impatto ambientale (anche attraverso l’utilizzo delle FER).
Il Sistema di Gestione dell’Energia (SGE) è quindi uno strumento che consente ad un’azienda di: i)
conoscere in modo più approfondito il proprio sistema di approvvigionamento, produzione,
distribuzione ed utilizzo dell’energia; ii) monitorare, controllare e ridurre i costi e gli sprechi
energetici; iii) controllare e ridurre gli impatti ambientali collegati al sistema energetico; iv)
rispettare i vincoli legislativi e/o regolamentari; v) rispettare ed ottemperare agli impegni volontari
e/o accordi sociali; vi) migliorare l’immagine aziendale e/o le esigenze di marketing.
Le Organizzazioni che intendono perseguire il risparmio energetico hanno la necessità di adottare
una politica che preveda un utilizzo migliore dell’energia compatibilmente al settore produttivo di
appartenenza, ai vincoli ambientali, economici e sociali del contesto in cui esse operano.
A tal fine esse si impegnano a: i) misurare i propri risultati in termini di riduzione dei consumi; ii)
effettuare regolarmente controlli (audit energetici) e valutazioni circa il rispetto degli obiettivi
aziendali, della normativa e di questi stessi principi; iii) fornire periodicamente informazioni
adeguate all’alta direzione (e.g. consiglio di amministrazione, azionisti), ai dipendenti, alle autorità
ed al pubblico.
Come noto, la diagnosi energetica è uno strumento che consente di individuare ed analizzare le
inefficienze energetiche dei processi e sottoprocessi produttivi. In tal modo è possibile individuare
una serie di interventi che concorrono alla minimizzazione degli esborsi per l’acquisto e produzione
di energia ed alla riqualificazione degli impianti e/o delle strutture edilizie/processi di produzione.
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Le diverse metodologie di diagnosi energetica sono basate sull’integrazione di differenti dati
raccolti sul campo mediante misure e sopralluoghi o elaborati mediante modelli fisico-matematici di
situazioni del processo produttivo. In altre parole la diagnosi energetica si pone come obiettivo
l’analisi dei consumi e delle modalità di utilizzo delle diverse forme di energia (i.d. termica,
elettrica, meccanica, …) e conseguentemente la ricerca delle cause di inefficienza al fine di
individuare gli interventi di efficientamento energetico (e.g. rifasamento dei motori elettrici,
sostituzione dei motori elettrici con quelli a maggior rendimento, riduzione delle perdite, utilizzo di
sistemi per l’autoproduzione dell’energia elettrica e termica, etc.).
In linea del tutto generale si può affermare che per poter eseguire un audit energetico in modo
efficiente è necessario:
í acquisire i dati sensibili, tra cui i consumi ed i costi energetici;
í quantizzare dati sulle utenze elettriche, termiche, frigorifere (potenza, fabbisogno/consumo
orario, fattore di utilizzo, ore di lavoro, etc.);
í modellare nel complesso il processo produttivo;
í stimare una serie di indicatori idonei ad un benchmarking;
í validare il modello utilizzato;
í individuare le carenze prestazionali;
í proporre degli idonei interventi di riqualificazione, accompagnati da un’opportuna analisi
tecnico-economica.
Per attuare il risparmio energetico all’interno dell’azienda è necessario realizzare una campagna di
misure che consenta di disaggregare e specificare i vari assorbimenti e consumi, andando a
monitorare le grandezze elettriche, termiche e fluidodinamiche. Al contempo è importante
raccogliere il maggior numero di informazioni possibile su generalità, tipologia costruttiva e
specifiche tecniche di tutti i servizi e degli impianti. In questo modo è possibile costruire un
modello in grado di riassumere in forma tabellare le utenze energetiche dell’azienda identificando i
centri di costo e verificando la loro importanza relativa con quanto consuntivato dalle letture delle
fornitura energetica. Costruire un bilancio di materia ed energia, estendibile sia ad un singolo
impianto che ad una intera fase di lavorazione, è l’approccio più esauriente alla razionalizzazione
energetica, poiché in questo modo è possibile valutare più precisamente i consumi specifici per
avere di conseguenza una visione esaustiva dei punti critici e degli interventi da considerare. La
sequenza di operazioni che consentono di effettuare una diagnosi dei consumi prevede una raccolta
in parallelo da un lato dei consumi sul processo produttivo, dall’altro dei dati riguardati il sistema
energetico. In aggiunta è necessario ricavare i consumi dalle fatture energetiche e il dato di
produzione annuale. Successivamente si costruiscono degli indici di riferimento e si effettuano dei
confronti di benchmark; analizzando gli indici è possibile decidere la modalità di intervento
ottimale che potrà variare dalle semplici ottimizzazioni di funzionamento a vere e proprie
innovazioni tecnologiche.
Purtroppo nonostante esistano ampi margini di efficientamento energetico vi sono diversi motivi per
cui molte imprese non hanno una elevata propensione a migliorare la loro l’efficienza energetica,
anche quando economicamente conveniente.
In particolare i motivi pratici possono essere i seguenti:
a) non sempre gli investimenti energetici sono frazionabili e soprattutto le PMI hanno
difficoltà a finanziare gli investimenti, sia a per una oggettiva carenza di liquidità,
sia per la riluttanza ad accedere a sistemi di credito per investimenti non
strettamente riferibili alla produzione;
b) non sempre gli investimenti necessari presentano un pay back relativamente rapido;
c) i costi nascosti (come in qualsiasi altro investimento) sono quasi sempre
sottovalutati e tendono ad essere una parte significativa dei costi di investimento.
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Tra questi i costi della transazione possono essere rilevanti soprattutto per le
piccole imprese, con personale ridotto e con ridotte competenze sull’efficienza
energetica
d) nella maggior parte delle aziende vi è una limitata interazione tra chi gestisce e
controlla gli impianti energetici (produce e fornisce), chi utilizza i servizi energetici
(utilizza e consuma) e chi rendiconta i costi energetici (contabilizza e paga). Il
circolo vizioso che si instaura è che il fornitore non ha la visibilità delle modalità e
delle effettive esigenze di consumo, l’utente non ha alcun incentivo per migliorare
l’uso dell’energia e la contabilità considera il costo energetico come un costo fisso
di cui nessuno è responsabile.
e) non sempre i locali di produzione o i servizi energetici sono di proprietà
dell’azienda. Pertanto se i beni sono in affitto non si ha alcun incentivo ad investire
ad esempio sull’edificio, anche se il potenziale di efficientamento è molto alto.
D’altra parte se i proprietari dei servizi energetici guadagnano sul consumo essi non
hanno interesse per efficientare.
Nel presente lavoro, a valle di una disamina delle tipologie e delle caratteristiche degli specifici
servizi energetici analizzati, è stato redatto un codice di calcolo che, sulla base della EN 16001 e
della ISO 50001, consente la gestione dei consumi energetici e l’LCC (Life Cycle Cost) di tali
impianti. Il codice di calcolo è stato quindi particolarizzato per due differenti servizi energetici
(impianto aria compressa ed impianto termo frigorifero) particolarmente impattanti nel settore
chimico – farmaceutico.
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3. Strumenti per la gestione energetica applicati a servizi tipici del settore chimicofarmaceutico: Servizio aria compressa
I sistemi di produzione dell’aria compressa sono estremamente diffusi nelle realtà industriali ed in
particolare nell'industria chimica e farmaceutica, ma rappresentano quasi sempre una voce di
consumo energetico tutt’altro che trascurabile. L'aria compressa, infatti, è estremamente facile da
impiegare e per tale motivo viene spesso utilizzata anche in modo improprio in quanto percepita
come un prodotto a costo trascurabile. L’uso dell’aria compressa è infatti estremamente versatile e
va dalla movimentazione pneumatica all’azionamento di organi meccanici, dai sistemi di controllo
di processo ai reparti di verniciatura, dalla realizzazione di cuscini ad aria (per utensili ad alta
precisione) alla creazione del vuoto (mediante eiettori), dai processi di formatura ed imbutitura alla
pulizia, dai processi di essiccatura ad applicazioni speciali (come aria di riserva per la respirazione).
Per contro occorrerebbe valutare per ciascuna applicazione se esistono alternative più efficienti ed
economiche soprattutto dal punto di vista energetico. Per questo motivo per realizzare dei risparmi
non è sufficiente ricercare l'efficienza nella produzione di aria compressa, ma è necessario
investigare su come ridurre il consumo modificando il comportamento dei suoi utilizzatori.
Nelle aziende chimiche farmaceutiche il costo energetico connesso all’utilizzo dell’aria compressa è
come detto alquanto rilevante (raggiungendo spesso il 10-15% dei consumi di energia elettrica).
Se inoltre consideriamo che durante la vita utile del sistema di produzione dell’aria compressa il
costo associato al consumo energetico necessario alla produzione incide per più del 70% sul costo
totale (Figura 2.1) ci accorgiamo di quanto sia importante la scelta di un sistema efficace ed
efficiente. Si ritiene pertanto che idonei interventi di gestione energetica applicati a questa utility
possano portare ingenti benefici energetici ed economici agli stabilimenti. Il miglioramento della
posizione competitiva si inserisce, quindi, in un contesto che vede l’azienda in grado di gestire i
consumi energetici in modo più flessibile ed in grado di reagire ai cambiamenti del mercato ed agli
scenari che vengono a determinarsi.
Costi impianto aria compressa
Raffreddamento
1%
Manutenzione
7%
Investimento
19%
Energia
73%
Figura 3.1 - Ripartizione dei costi di un impianto di produzione di aria compressa.
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Malgrado l’apparente semplicità l’impianto di produzione di aria compressa si presenta
estremamente complesso sia per le trasformazioni termodinamiche dell’aria umida elaborata, sia per
l’inefficienza delle attrezzature utilizzate. Un analisi preliminare delle “best practice” può dare
un’idea di questa complessità.
Le principali opportunità di risparmio energetico sono infatti possibili solo attraverso specifiche
azioni quali:
- il mantenere puliti i filtri dell’aria;
- l’utilizzare l’aria di aspirazione alla più bassa temperatura possibile ed eventualmente preraffreddare l’aria in ingresso al compressore;
- l’installare un compressore di piccola taglia (per soddisfare la richiesta oltre il picco) o
installare i motori a due velocità;
- l’installare apparecchiature di regolazione e controllo sugli impianti multi-compressore;
- l’installare serbatoi di accumulo in prossimità di utenze intermittenti;
- l’installare recuperatori di calore in prossimità degli essiccatori
- il disaggregare se possibile utilizzatori che usano aria a bassa ed alta pressione installando
differenti sistemi di produzione
- l’utilizzare linee di aria compressa separate per applicazioni speciali
- il sostituire le attrezzature pneumatiche con quelle elettriche
- lo spegnere tutte le apparecchiature possibili se non in uso;
- l’installare delle valvole a solenoide a basso prezzo sui condotti verso le singole
apparecchiature;
- lo spegnere l’aria compressa non appena le apparecchiature vengono spente;
- il lavorare con la minor pressione necessaria sia a livello di produzione che di consumo;
- l’individuare ed eliminare le perdite;
- l’installare strumenti di misura idonei a tenere sotto controllo l’impianto (e.g. flussimetro,
wattmetro, sensori di temperatura e pressione, misuratori di frequenza in presenza di
inverter,…)
- evitare condense nel sistema e mantenere una qualità dell'aria compressa (classificata
secondo lo standard ISO 8573-1).
3.1 Ottimizzazione degli impianti per la produzione di aria compressa
Nel settore industriale l’aria compressa é utilizzata come vettore energetico in quanto presenta
notevoli vantaggi: ha una disponibilità illimitata, può essere immagazzinata in accumulatori con
facilità, non presenta il rischio di esplosione o incendio, presenta elevate velocità operative.
In Figura 3.1, si riporta una schematizzazione a blocchi delle principali macro aree che
costituiscono il servizio aria compressa.
CENTRALE
DI
COMPRESSIONE
RETE
DI
DISTRIBUZIONE
COLLEGAMENTO
SERVIZIOUTENZA
UTENZA
Fig. 3.2 - Schema a blocchi servizio aria compressa
Ogni macro area riportata nel diagramma precedente è costituita da una serie di componenti (Figura
3.2) che devono essere ottimizzati al fine di conseguire un risparmio energetico ed economico.
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Di seguito si riporta una descrizione dei possibili interventi di efficientamento energetico che
possono essere effettuati su un impianto ad aria compressa.
- Riduzione consumi aria compressa;
- Ottimizzazione sala compressori;
- Ottimizzazione gruppo di filtraggio;
- Adozione di motori elettrici a più alta efficienza;
- Regolazione del carico a velocità variabile;
- Ottimizzazioni energetiche del compressore;
- Corretta gestione degli accumuli dell’aria compressa;
- Ottimizzazione delle reti di distribuzione;
- Programma di manutenzione.
- Recupero termico dal sistema di raffreddamento del compressore e dell’aria compressa;
Figura 3.3 - Schema d’impianto di impianto per la produzione di aria compressa.
- Riduzione consumi aria compressa
Una riduzione degli utilizzi inappropriati dell’aria compressa può portare ingenti benefici in tema di
razionalizzazione dei consumi. L’aria compressa, infatti, viene di solito utilizzata per la pulizia dei
componenti dell’impianto o delle postazioni di lavoro senza la presenza di un sistema di regolazione
della pressione. L’adozione di regolatori di pressione localizzati sui diversi punti di utilizzo
consentirebbe un’erogazione alla pressione di esercizio dell’impianto senza grosse fluttuazioni o
problemi di bilanciamento della rete. Altre misure che è possibile adottare sono rappresentate dalla
sensibilizzazione del personale ad un uso limitato e razionale dell’aria compressa unitamente
all’identificazione di eventuali fughe d’aria lungo il circuito.
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- Ottimizzazione sala compressori
La sala compressori deve rispondere ad alcuni requisiti quali: i) corretto posizionamento della
centrale; ii) idonea areazione del locale compressori; iii) esposizioni adeguate per la sala
compressori; iv) corretta presa d’aria esterna. La mancanza di ognuno dei requisiti sopra citati può
avere ripercussioni negative sull’efficienza dell’impianto.
Attraverso un corretto posizionamento della centrale di compressione all’interno dell’azienda si
facilita l’applicazione dei possibili interventi di recupero termico, evitando estesi tratti di trasporto
dell’acqua calda recuperata. Durante le ore di esercizio dell’impianto, è fondamentale smaltire la
quantità di calore che viene prodotta, ed eventualmente non recuperata, dall’impianto di
compressione. In fase di scelta del tipo di raffreddamento da adottare, i sistemi a ventilazione
forzata canalizzata sono preferibili rispetto al sistema con ventilatore poiché utilizzano portate
minori d’aria. In tal modo, riducendo la portata d’aria da trattare, sarà possibile utilizzare un
ventilatore di taglia inferiore riducendo di conseguenza i consumi energetici relativi a questo
componente. Nei mesi estivi una esposizione diretta della sala compressori alla radiazione solare,
può causare un aumento della temperatura nella sezione di aspirazione del sistema di
raffreddamento che potrebbe compromettere il corretto funzionamento del compressore. Bisogna
quindi evitare di disporre le bocche di presa, sia dell’aspirazione che del sistema di raffreddamento,
nel versante maggiormente esposto alla radiazione solare. Dotare un sistema di compressione di una
bocca di aspirazione che prelevi aria dall’esterno del locale di compressione comporta notevoli
vantaggi tra cui: una minore contaminazione dell’aria, temperatura di aspirazione inferiore rispetto
a quella che si raggiunge all’interno della sala compressione, benefici sul miglioramento
dell’efficienza di compressione, riduzione della frequenza di manutenzione dei filtri garantito dal
prelievo di aria da ambienti meno polverosi.
- Ottimizzazione gruppo di filtraggio
Gli interventi di ottimizzazione energetica sui gruppi di filtraggio possono ridurre i consumi elettrici
connessi al compressore fino a qualche punto percentuale, e ne assicurano una vita più lunga. Si
individuano per questi componenti due possibili interventi di miglioramento, quali: i) corretto
intervallo di manutenzione; ii) corretto posizionamento del filtro di aspirazione. Indifferentemente
dal tipo di filtro utilizzato nell’impianto, con l’aumentare delle ore di esercizio aumentano le
particelle di polvere che, depositandosi sulla superficie filtrante, aumentano le perdite di carico
generate dal componente sul flusso di aria in aspirazione. Si comprende come una corretta
frequenza di pulizia dei filtri consente di ridurre le eccessive perdite di carico con il vantaggio di un
tempo di vita maggiore del compressore.
- Adozione di motori elettrici a più alta efficienza
I risparmi energetici conseguibili su questo elemento del sistema sono correlati all'efficienza del
motore elettrico istallato. Rispetto ai motori tradizionali, quelli ad alta efficienza vengono realizzati
attraverso materiali e geometrie innovative con il vantaggio di conservare un’efficienza elevata
anche in condizioni di carico parzializzato.
Altro aspetto rilevante per i consumi energetici di un motore è caratterizzato dal tipo di
accoppiamento con il compressore che introduce un rendimento di trasmissione della potenza
meccanica fornita al compressore. Il collegamento tra motore elettrico e compressore può essere di
tre tipi: i) accoppiamento a cinghia; ii) accoppiamento mediante ingranaggi; iii) accoppiamento
diretto. Per accoppiamenti diretti il rendimento di trasmissione è pari all’unità, mentre per
accoppiamento con ingranaggi il rendimento è pari circa 98%, e per accoppiamenti con cinghia è
pari circa al 96%.
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Gli accoppiamenti con ingranaggi e quelli a cinghia introducono un ulteriore perdita di trasmissione
della potenza dal motore al compressore, quindi sono preferibili sistemi di compressione con
accoppiamento diretto che non incidono sull’efficienza di trasformazione, inoltre accoppiamenti a
cinghia richiedono ispezioni periodiche per evitare possibili malfunzionamenti derivanti dall’usura
delle cinghie o da eccessivi slittamenti, riducendo notevolmente il rendimento di accoppiamento.
- Regolazione del carico a velocità variabile
I gruppi di compressione devono regolare la portata di aria in funzione della richiesta delle utenze
da asservire. Esistono molti metodi che consentono la regolazione della portata di un compressore
ma solo alcuni effettuano una regolazione che permette anche di ridurre i consumi. I tipi di
regolazione adottati sono: i) regolazione star/stop, ii) regolazione a carico parziale (consiste nel far
lavorare il compressore in continuo regolando la portata parzializzando la bocca di aspirazione), iii)
regolazione a carico/vuoto (consiste nel far lavorare il compressore in continuo regolando il carico
tramite la messa in scarico della bocca di aspirazione), iv) regolazione a velocità variabile (la
portata viene regolata parzializzando il numero di giri del compressore).
L’ultimo metodo risulta più vantaggioso e permette di risparmiare fino al 30% dell’energia elettrica
assorbita. Ulteriori vantaggi introdotti dagli inverter sono la riduzione degli interventi di
manutenzione ed il rifasamento automatico del fattore di potenza FRVija valori prossimi all’unità.
Nei casi in cui ci sono più compressori in esercizio, è buona norma combinare il loro
funzionamento in modo da ridurre i consumi e gli interventi di manutenzione. In questi casi si
adotta un selettore della sequenza degli avviamenti, capace di gestire le ore di funzionamento delle
macchine intervallando opportunamente il funzionamento delle stesse.
- Ottimizzazioni energetiche del compressore
Un possibile intervento di ottimizzazione sui compressori è costituito dall’adozione di gruppi di
compressione multistadio muniti di un sistema di inter-refrigerazione. Il vantaggio dei compressori
inter-refrigerati è quello di assorbire una potenza elettrica minore rispetto ad un compressore a
singolo stadio. L’adozione di compressioni con più di due stadi di compressione è comunque
caratterizzata da costi di acquisto e manutenzione del compressore più elevati. Nella maggior parte
delle applicazioni industriali la scelta ricade su compressori bi-stadio con inter-refrigerazione.
- Corretta gestione degli accumuli dell’aria compressa
L’uso di aria compressa nelle industrie può essere caratterizzata dall’avere grandi volumi di aria
assorbiti in modo intermittente, questo genera delle fluttuazioni di pressione nel circuito che si
ripercuotono sul funzionamento del compressore, il quale si trova a lavorare in condizioni non
stazionarie. Gli accumulatori di aria compressa hanno il compito di smorzare queste fluttuazioni
uniformando la pressione e quindi il funzionamento dei compressori. Un impianto di compressione
è dotato di un serbatoio installato nella centrale che è opportunamente dimensionato in funzione del
tipo di utilizzo. È buna norma installare serbatoi supplementari vicino alle utenze che richiedono
elevate portate intermittenti di aria, in modo da evitare che il disturbo generato da una richiesta
improvvisa di aria compressa si propaghi lungo l’intera linea o rete fino alla centrale.
- Ottimizzazione delle reti di distribuzione
Le reti di distribuzione dell’aria compressa hanno un notevole impatto sui consumi energetici della
centrale di compressione. Una scorretta gestione e manutenzione delle reti di distribuzione può
vanificare tutti i possibili interventi di ottimizzazione sulla centrale. In generale è importante
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considerare tre aspetti importanti, quali: i) bassa caduta di pressione tra la centrale e i punti di
utilizzo; ii) basse perdite di aria per fughe nel sistema; iii) eliminazione di eventuale condensa
residua. La minimizzazione delle perdite nella rete di distribuzione si attua attraverso alcuni basilari
accorgimenti tra cui un’accurata progettazione dei percorsi e della dimensione delle tubazioni e
l’utilizzo di adeguati componenti circuitali che consentono di contenere le perdite di carico.
Le linee di distribuzione devono essere più lineari possibili, riducendo al minimo curve e raccordi,
inoltre il dimensionamento accurato delle tubazioni consente di ridurre ulteriormente le perdite di
carico. In generale l’applicazione migliore che garantisce minori perdite di carico consiste
nell’adottare reti di distribuzione ad anello chiuso. Questo tipo di distribuzione consiste nel
realizzare un sistema di tubazioni principali ad anello intorno l’area da asservire. Dai tubi principali
dell’anello si diramano tutte le tubazioni secondarie che raggiungono ogni singola utenza.
La presenza di acqua di condensa potrebbe provocare la corrosione delle tubazioni per cui è buona
norma dotare le reti di distribuzione di ulteriori filtri separatori di condensa.
Altra misura di fondamentale importanza consiste nella predisposizione di sistemi di intercettazione
dell’aria (automatici o manuali) che consentono di isolare le linee che rimangono fuori servizio per
lunghi periodi di tempo.
- Programma di manutenzione
Per garantire un funzionamento efficiente dell’impianto, è importante definire un adeguato
programma di manutenzione al fine di effettuare periodicamente la manutenzione dei componenti e
l’ispezione delle reti, in modo da rispettare gli standard di qualità.
Gli interventi previsti in un programma di manutenzione sono: i) corretto intervallo di
manutenzione sui componenti; ii) pianificazione di un programma di ispezione e controllo
periodica; iii) sensibilizzazione del personale di macchina.
- Recupero termico dal sistema di raffreddamento del compressore e dell’aria compressa
I gruppi di compressione trasformano in energia termica circa il 90% dell’energia elettrica assorbita.
L’energia termica prodotta genera un innalzamento della temperatura del compressore, che in parte
viene smaltita dai sistemi di raffreddamento del compressore ed in parte resta in seno al fluido,
rendendo necessario l’utilizzo di dispositivi di raffreddamento dell’aria compressa denominati
refrigeratori finali. Diviene quindi interessante analizzare le modalità di recupero di energia termica
dai sistemi di produzione dell’aria compressa. Un recupero dell’energia termica può essere ottenuto
utilizzando un sistema di canalizzazioni che consente la distribuzione dell’aria nei reparti/uffici ed
una valvola di intercettazione che consente la regolazione della portata, con la funzione di
parzializzare o by-passare totalmente il flusso verso gli ambienti da riscaldare. Altre possibilità di
recupero termico risultano ottenibili dal raffreddamento dell’olio di lubrificazione del compressore
e dal raffreddamento della carcassa del compressore.
3.2 Un codice di calcolo per la diagnosi energetica e l’LCC del sistema di aria compressa
Al fine di monitorare i consumi necessari alla produzione dell’aria compressa è stato realizzato un
codice di calcolo che analizza in modo dettagliato tutte le fasi del ciclo di produzione. Esso
consente l’analisi delle voci di consumo e di costo, l’individuazione delle eventuali inefficienze che
caratterizzano un generico sistema di aria compressa, la stima dei tempi di ritorno dell’investimento
in seguito ad eventuali interventi di efficientamento energetico. Solitamente un impianto ad aria
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
compressa per applicazioni industriali prevede un minimo di due gruppi di compressione che
possono funzionare in contemporanea o stand alone (uno dei due funge da riserva in caso di
mancato funzionamento dell’altro). Nello strumento realizzato è possibile gestire fino ad un
massimo di tre gruppi di compressione tra loro interconnessi. Ognuno di essi è costituito dai
seguenti componenti: i) filtro di aspirazione; ii) compressore; iii) motore elettrico; iv) separatore
aria/olio (se dotato di compressore lubrificato); v) refrigeratore finale e/o inter-refrigerazione; vi)
gruppo di controllo. Seguono i sistemi di trattamento ed accumulo dell’aria presenti all’interno
dell’impianto nel seguente ordine: i) accumulo; ii) filtri olio; iii) essiccatore; iv) filtri polvere.
Per redigere il codice di calcolo sono stai creati dei moduli di raccolta dati denominati Chek List,
utilizzabili per la raccolta di tutte le informazioni necessarie ad una caratterizzazione energetica
dell’impianto (Allegato 2). Il codice risulta suddiviso in diverse sezioni in cui si riportano:
Sezione 1 - Caratteristiche del sistema di produzione aria compressa;
Sezione 2 - Manutenzione ordinaria;
Sezione 3 - Manutenzione straordinaria;
Sezione 4 - Sistema di distribuzione dell’aria compressa;
Sezione 5 - Costi di esercizio impianto;
Sezione 6 - Redditività.
Le sezioni sono state suddivise in sottosezioni in cui sono presenti un certo numero di campi che
consentono l’inserimento dei parametri d’interesse. La sezione 1 è preceduta da una raccolta delle
informazioni di carattere generale tra cui: i) responsabile Energy Manager ii) dati generali
economici; iii) proprietà termodinamiche medie di ingresso. In Tabella 3.1 si riporta a titolo di
esempio la scheda del codice realizzato adibita all’implementazione dei dati termodinamici medi in
ingresso. In Tabella 3.2 si evidenzia la presenza di ulteriori campi che consentono di effettuare
ipotesi di retrofit.
Tabella 3.1 - Scheda di implementazione dei dati termodinamici medi in ingresso
Proprietà Termodinamiche medie in ingresso
Temperatura
T1
°C
20.0
Pressione atmosferica
p1
kPa
101.3
Umidità relativa
UR1
%
60%
Pressione di saturazione
pvs (T1)
kPa
2.339
Costante del gas
R
J/kg K
287.1
Titolo
x1
g/kg
8.73
Calore specifico a pressione costante
Cp
kJ/kg K
1.004
Temperatura di rugiada
Tr1
°C
12.04
Esponente politropico
K
Massa volumica
ȡ
kg/m3
1.20
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Tabella 3.2 - Struttura del software divisa per impianto esistente ed eventuali proposte di retrofit.
Sistemi esistenti
Tipologia del servizio aria compressa
Unità
n.1
n.2
n.3
Ipotesi 1 - Retrofit impianto
n.1
n.2
Ipotesi 2 - Retrofit impianto
n.3
n.1
n.2
n.3
In Tabella 3.3 si riporta la scheda di immissione dei tempi di funzionamento dell’impianto.
Tabella 2.3 - Scheda di immissione dei tempi di funzionamento dell’impianto
Ore di funzionamento annue
Tempo giornaliero medio di accensione impianto
hg,imp
Ore/giorno
16
16
16
Numero giorni di funzionamento impianto in un anno
N°g,on
Giorni/anno
280
280
280
Numero giorni di fermo impianto in un anno
N°g,off
Giorni/anno
85
85
85
Ore totali di esercizio annuale impianto
himp,on
Ore/anno
4480
4480
4480
Tempo giornaliero medio di accensione compressori
hg,c
Ore/giorno
16
16
16
16
16
16
Giorni/anno
280
280
280
280
280
280
Numero giorni di fermo compressori in un anno
N°g,on,c Giorni/anno
85
85
85
85
85
85
Ore totali di esercizio annuale compressori
hc
Numero giorni di funzionamento compressori in un anno N°g,c
Ore/anno
4480 4480
4480 4480
4480 4480
SEZIONE 1 - Caratteristiche del sistema di produzione aria compressa
Il servizio di aria compressa è costituito da un insieme di elementi interconnessi tra loro, ognuno dei
quali ha un’incidenza sui consumi totali dell’impianto. In questa sezione vengono determinati tutti i
parametri termodinamici, economici, ed energetici d’interesse per ogni singolo componente che
costituisce l’impianto di produzione dell’aria compressa; si inseriscono informazioni in merito a
tipologia e condizioni di utilizzo delle linee di distribuzione, determinando le perdite di carico totali
ed i consumi relativi ad ogni singola linea di distribuzione installata. Nelle sottosezioni si riportano,
in una sequenza che rispetta l’ordine di istallazione, i dati significativi di ogni singolo componente
facilitando in tal modo l’identificazione dei flussi nelle diverse sezioni dell’impianto.
Per sviluppare il codice di gestione energetica, prendendo in riferimento lo schema funzionale di un
impianto tipo, è stato possibile individuare le interconnessioni tra i diversi componenti. In Figura
3.4 si riporta lo schema di riferimento che facilita la localizzazione lungo il processo dei parametri
energetici di interesse.
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Figura 3.4 - Schematizzazione impianto di riferimento per la produzione di aria compressa
Di seguito si analizzano i compenti appartenenti a questa sezione.
Filtro di aspirazione
I parametri che caratterizzano il filtro di aspirazione tra cui la portata d’aria aspirata dal
compressiore, la pressione e la temperatura media di ingresso, si ricavano facendo riferimento alle
proprietà termodinamiche medie in ingresso. La caduta di pressione generata all’interno di questo
componente dipende oltre che dalle caratteristiche costruttive del filtro (tipologia e dimensioni delle
sezioni di passaggio), anche dal quadrato della velocità e quindi dalla portata dell’aria.
E’ da osservare che le perdite di carico riportate sulle schede tecniche fanno riferimento ad un
valore nominale della portata, imposta dal costruttore, che in generale non corrisponde a quella
relativa alle condizioni effettive di funzionamento. D’altro canto il deterioramento e lo sporcamento
del filtro inducono un ulteriore aumento delle perdite di carico ricavabili da quelle nominali
attraverso la seguente relazione:
dove:
-
ǻS (1-2),nom = perdita di carico nominale;
ǻS¶ (1-2) = perdita di carico effettiva;
V med,tot = potata volumetrica media del singolo compressore;
V nom,tot = potata volumetrica massima del singolo compressore.
I pedici 1 e 2 indicano le sezioni di ingresso ed uscita dal filtro.
Determinata la caduta di pressione effettiva con la seguente relazione è possibile calcolare la
pressione di uscita (p 2 ) dal filtro:
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La tempereature d’uscita dal componente si determina ipotizzando che il fluido subisca una
trasformazione isoterma tra le sezioni di ingresso ed uscita.
Infine sotto l’ipotesi di applicabilità del modello di gas ideale, si determina la massa volumica nella
sezione di uscita.
Si riportano, infine, due voci di costo (una riferita al componente e l’altra all’investimento) che
vengono utilizzate per l’analisi dei costi dell’impianto.
Motori elettrici
La potenza meccanica necessaria per il funzionamento dei compressori è fornita da motori elettrici
ad essi accoppiati. In tale sottosezione, viene indicata la tipologia di motore elettrico con la scelta
associata di una classe di efficienza (Figura 3.5) a cui corrisponde un rendimento elettrico di
trasformazione.
Fig. 3.5 - Menù a tendina che consente la scelta delle classe di efficienza dei motori elettrici
Il motore elettrico può essere accoppiato al compressore secondo differenti tipologie di
accoppiamento (Figura 3.6).
Fig. 3.6 - Menù a tendina raffigurante i vari tipi di accoppiamento motore-compressore
L’accoppiamento, motore-compressore introduce un ulteriore rendimento definito rendimento di
trasmissione che influenza l’efficienza complessiva del sistema. Nel caso di accoppiamento diretto
tramite flangia o albero-mozzo, il rendimento di trasmissione è pari all’unità essendo nulli gli attriti.
Il rendimento di trasmissione è invece diverso da 1 nei sistemi di accoppiamento con ruote dentate,
o nel caso di accoppiamento con cinghia a causa degli scorrimenti che si possono generare tra
l’albero conduttore del motore e la cinghia. Nel codice di calcolo il rendimento è relazionato alla
tipologia di accoppiamento considerata.
La potenza nominale fornita dal costruttore unitamente ai rendimenti di trasmissione e di
conversione consentono di risalire alla potenza elettrica effettivamente assorbita dal compressore
ricavabile dalla seguente relazione.
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dove:
-
P el,r = Potenza elettrica realmente assorbita dal motore elettrico;
P mec,c = Potenza meccanica assorbita dal compressore;
Ș m = Rendimento motore elettrico;
Ș acc = Rendimento di accoppiamento motore compressore;
Dalla conoscenza della potenza elettrica e delle ore di funzionamento si risale al consumo
energetico del motore.
Infine, come per la sottosezione precedente, si riportano informazioni relative alle voci di costo
(singolo motore e totale).
Compressori
In questa sottosezione è possibile selezionare la tipologia di compressore e l’eventuale presenza del
sistema di inter-refrigerazione (Figura 3.7), parametro che risulta fondamentale per il calcolo della
temperatura di uscita dell’aria dal compressore.
Fig. 3.7 - Menù a tendina raffigurante le varie tipologie di compressori e sistemi di raffreddamento esistenti.
Nel codice di calcolo c’è la possibilità di inserire i dati relativi a compressioni multi-stadio
caratterizzati da due stadi di compressione.
Nel campo “Sistema di lubrificazione del compressore” è possibile settare la presenza o meno del
sistema di lubrificazione che potrebbe imprimere una sua perdita di carico al circuito. Nel campo
“Rapporto di compressione”, si riporta il calcolo del rapporto di compressione, dato dal rapporto
tra la pressione del gas in uscita e la pressiossione in ingresso:
dove:
-
= Pressione relativa in uscita dal compressore;
= Pressione atmosferica;
= Pressione assoluta in ingresso al compressore.
Nei campi “Portata media effettiva” si riportano le portate volumetriche e massiche di aria prodotta
da ogni singolo compressore e quella totale. Nel campo “Portata massima” va inserito il valore di
portata nominale o di targa che il compressore può elaborare. Questo parametro viene preso come
riferimento in ogni singolo componente per determinare la perdita di carico effettiva, così come
avveniva nei filtri di aspirazione. Nel campo “Rendimento medio” va inserito il redimento
isoentropico di compressione riportato nei dati di targa del compressore. Questo dato è significativo
perché nell’ipotesi di sostituzione del compressore è possibile, in tal modo, effettuare un confronto
diretto dell’efficienza massima con cui può lavorare il compressore. La pressione di uscita dal
compressore è determinata sulla base della pressione di set point. Quest’ultima può riferirsi a tre
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differenti sezioni: i) uscita dal compressore, ii) uscita dall’accumulo; iii) uscita filtro polveri
(Tabella 3.4).
Tabella 4 - Selezione del punto di controllo e valore della pressione di set point.
Partendo da tale valore di pressione, tenendo conto delle perdite di carico, è possibile calcolare i
livelli di pressione negli altri punti dell’impianto.
Il calcolo della “pressione relativa in uscita”, è effettuato come somma tra la pressione in uscita dal
componente successivo al compressore e la perdita di carico impressa dallo stesso.
dove:
- P 3 = Pressione uscita compressore;
- P 4 = Pressione uscita componente successivo (separatore aria/olio);
= Perdita di carico impressa dal componente successivo ( separatore aria/olio).
Le modalità di calcolo di: temperatura in uscita, energia specifica ideale e potenza meccanica
assorbita dal compressore, differiscono nel caso di compressione in presenza di singola interrefrigerazione o compressione semplice.
La singola interefrigerazione prevede due stadi di compressione. Facendo riferimento ad una
trasformazione adiabatica internamente reversibile attraverso la seguente relazione si perviene al
calcolo della temperatura all’uscita della prima e della seconda compressione.
dove:
-
T 2’ = Temperatura ingresso interrefrigerazione;
T 2 = Temperatura ingresso compressore;
T 2,is = Temperatura isoentropica di ingresso interrefrigerazione.
= rendimento compressore
Dalla conoscenza delle temperature e delle pressioni di ingresso ed uscita dal compressore si
calcolano la massa volumica ed infine l’energia specifica assorbita dal compressore.
Il calcolo dell’energia meccanica specifica reale assorbita dai compressori, viene effettuato tenendo
conto delle irreversibilità interne.
Definita l’energia specifica assorbita dai compressori, nel campo “potenza meccanica”, si calcola la
potenza meccanica reale assorbita dai compressori come prodotto dell’energia specifica reale e la
portata media. Nel caso di compressione semplice al calcolo dei parametri di interesse si perviene
come nel caso dell’inter-refrigerazione, ma considerando un unico stadio di compressione.
Il volume di aria prodotto dal compressore è ottenuto dal prodotto tra la portata specifica
volumetrica ( ) e il numero di ore annuali di funzionamento.
Infine si riportano le voci di costo relative ai compressori.
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Separatore aria/olio.
In tale sottosezione si riportano i dati di interesse per questo componente che risulta presente
soltanto quando si adottano compressori lubrificati. Ad un campo “Tipologia” che, consente la
scelta della tipologia di separatore, segue la valutazione delle perdite di carico effettive.
dove:
-
ǻS (3-4),nom = perdita di carico nominale;
ǻS¶ (3-4) = perdita di carico effettiva;
V med,tot = potata volumetrica media del singolo compressore;
V nom,tot = potata volumetrica massima del singolo compressore.
Determinata la perdita di carico effettiva nel campo “Pressione di uscita”, si calcola la pressione
all’uscita dal componente come differenza tra la pressione in uscita al compressore e la perdita di
carico effettiva impressa.
Nel campo “Temperatura di uscita “ si riporta la temperatura di uscita dal separatore, che per le
ridotte dimensioni ed il tempo breve di permanenza dell’aria compressa all’interno del separatore, si
asumme pari alla temperatura di uscita dal compressore, ipotizzando quindi un comportamento
isotermo del componente.
Gli ultimi due campi fanno riferimento all’umidità relativa ed al costo del componente.
Sistema di refrigerazione finale
Per questo componente dalla seguente relazione si calcola la “perdita di carico effettiva” dal
prodotto della caduta di pressione nominale e la portata volumetrica effettiva.
dove:
-
ǻS-5) = perdita di carico nominale;
ǻS¶-5) = perdita di carico effettiva;
V med,tot = potata volumetrica media totale;
V max,tot = potata volumetrica massima totale.
Valutata la perdita di carico effettiva, nel campo “Pressione in uscita”, si determina la pressione di
uscita dal refrigeratore finale come somma tra la pressione in uscita al componente successivo e la
perdita di carico effettiva del componente successivo:
La relazione precedente fa riferimento ad una pressione di set point misurata all’uscita
dell’accumulatore.
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Per quanto riguarda la “Temperatura di uscita” dal refrigeratore, come da letteratura, viene scelto un
valore pari a 25-30 °C (circa 10 °C in più rispetto alla temperatura ambiente).
Per determinare l’aliquota di vapore d’acqua che condensa è necessario determinare la pressione di
saturazione alla temperatura T 5 di uscita dal refrigeratore tramite la seguente relazione:
5 2െ0.000000014452093‫ כ‬5 3+6.5459673‫כ‬
5
Al calcolo della pressione parziale di vapore segue nel campo “Umidità relativa” il valore di
umidità relativa (UR 5 ), che in condizioni di saturazione è pari al 100%. L’aliquota d’acqua che
condenza è funzione dell’umidità specifica o titolo di fine raffredamento. Nel campo “Titolo”, viene
calcolato il valore di umidità specifica come:
L’aliquota di vapore condensato è calcolata nel campo “Recupero condensa specifica”, ed è pari
alla differenza di umidità specifica tra le sezioni di ingresso ed uscita al refrigeratore finale.
Nel campo “Recupero condensa totale”, si riporta il calcolo della quantità di condensa sottratta dal
refrigeratore finale in un anno di utilizzo dell’impianto.
dove:
-
ȡ 1 = Massa volumica nelle condizioni ambientali di riferimento;
= Portata volumetrica totale annua;
= Ore di utilizzo impianto in un anno.
Nel campo “ Energia termica specifica refrigeratore”, è calcolata l’energia termica che il flusso
d’aria compressa cede al refrigeratore come :
Nel campo “Potenza termica specifica refrigeratore”, si calcola la potenza termica ceduta al
refrigeratore, calcolata come prodotto tra l’energia termica specifica e la portata di ogni singolo
compressore:
La potenza termica sottratta al flusso di aria compressa, è una sorgete di calore che è possibile
recuperare sotto forma di acqua calda sanitaria o per il riscaldamento dei locali adiacenti alla sala
dei compressori. Il recupero avrà una certa efficienza di scambio (
e la potenza termica
recuperabile si calcola dalla seguente formula come prodotto della potenza termica in uscita al
refrigeratore ed il rendimento di recupero.
Nel campo “Potenza elettrica refrigeratore”, si riporta il consumo specifico di energia elettrica
assorbito dal sistema di refrigerazione, reperibile dalla scheda tecnica dell’attrezzatura. Nel campo
“Consumo di energia elettrica refrigeratore”, si calcola il consumo di energia annuale del
componente, dal prodotto tra la potenza elettrica del refrigeratore e le ore di funzionamento annue.
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Il calcolo di cui sopra è stato eseguito per singolo refrigeratore presente per ogni compressore, nel
campo “consumo di energia elettrica totale refrigeratore” si riporta la somma dei consumi elettrici
dei possibili tre refrigeratori presenti. Infine si riportano nel campo “Fughe sistema di
refrigerazione”, eventuali fughe di aria presenti nel componente e nel campo” “Costo totale
refrigeratori”, il costo totale dei refrigeratori presenti.
Sistema di accumulo
Fa seguito al sistema di refrigerazione un serbatoio di accumulo con una voce “Numero di serbatoi”
che ne permette il settaggio. Per caratterizzare un serbatoio di accumulo si definisce come per gli
altri componenti la perdita di carico effettiva che viene impressa sul flusso di aria compressa:
dove:
- V med,tot = potata volumetrica media totale;
- V nom,tot = potata volumetrica nominale totale.
Calcolata la perdita di carico effettiva, nel campo “Pressione di uscita”, si determina la pressione di
uscita dal serbatoio che potrebbe coincidere con quella di set point.
Nel campo “Temperatura di accumulo”, si riporta la temperatura di accumulo che differirà qualche
decimo di grado rispetto alla temperatura di uscita dai refrigeratori finali.
La caduta di temperatura potrebbe provocare la formazione di successive condense, per tale motivo
bisogna tenere sotto controllo l’aliquota di vapore condensato lungo tutta la linea.
Nel campo “ Volume totale” si riporta il valore del volume totale dei serbatoi, mentre nel campo
“Volume totale in condizioni standard” si calcola il volume di accumulo alle condizioni standard di
riferimento pari ad (1bar e 15°C), tramite l’equazione dei gas ideali :
dove:
= Volume di accumulo in condizioni standard;
= Volume di accumulo in condizioni di esercizio;
- P 6 = Pressione in uscita dall’accumulatore;
- T 6 = temperatura in uscita dall’accumulatore;
- R = Costante universale dei gas.
Infine vengono controllate eventuali fughe di aria compressa dal sistema di accumulo ed
analogamente agli altri sottosistemi sono stati previsti campi riferiti ai costi.
Filtro olio
Il filtro olio è un componente che ha la funzione di ridurre ulteriormente la presenza di particelle di
olio trafugate dal separatore aria/olio. I filtri olio sono installati nelle sale compressori e sulle linee
di distribuzione, per far fronte a una diversa esigenza della qualità dell’aria compressa in funzione
dell’uso finale. Nel campo “Utilizzo filtri”, si tiene conto della possibilità di avere filtri olio
installati ma non in servizio. Nel campo “Tipologia / modello”, si riportano il nome e il codice
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identificativo del tipo di filtro adottato, mentre nel campo “Numero di filtri presenti”, si riporta il
numero di filtri installati. Segue, come per gli altri componenti finora analizzati, il calcolo della
perdita di carico effettiva che il componente imprime al flusso di aria compressa. La pressione
all’uscita dai filtri è calcolata come differenza tra la pressione all’uscita dall’accumulo e la perdita
di carico impressa dai filtri. Nei campi successivi si calcola il quantitativo di acqua condensata
analogamente a quanto fatto per l’accumulo. Si riportano infine il campo “Fughe del componente”
ed il campo “Costo del componente”.
Essiccatore
Nel campo “Tipologia” il codice di calcolo contiene un menù a tendina, che permette spuntare la
scelta del tipo di essiccatore presente nell’impianto. Nei successivi due campi si riporta, come per
gli altri componenti, il calcolo della perdita di carico effettiva del componente.
dove:
-
V med,tot = potata volumetrica media totale;
V nom,tot = potata volumetrica nominale totale.
La “Pressione di uscita” si determina considerando le perdite di carico.
Nel campo “temperatura di rugiada”, è inserito tale valore, deducibile dai dati di targa in base al
tipo di essiccatore considerato. In generale per un essiccatore a refrigerazione, valori tipici di tale
temperatura risultano compresi tra +2 e +10 °C. Da tale valore è deducibile, come fatto per gli altri
componenti, il quantitativo di acqua che condensa. Nell’ultima fase l’aria compressa viene
riscaldata per mezzo di un apposito scambiatore di calore fino alla temperatura ambiente.
Nel campo “Temperatura di uscita”, per semplicità di trattazione, si riporta il valore di temperatura
ambiente incrementato di un grado celsius.
Nell’essiccatore il flusso di aria compressa subisce quindi una deumidificazione con successivo
riscaldamento. Quest’ultimo garantisce l’allontanamento della miscela aria-vapore dalle condizioni
di incipiente condensazione. Nel campo “Umidità relativa in uscita”, si calcola il nuovo valore di
umidità relativa deducibile dalla formula inversa per il calcolo dell’umidità specifica.
dove:
- X 8 = Umidità specifica in uscita all’essiccatore;
= Pressione parziale di saturazione alla temperatura di rugiada;
- P 8 = Pressione in uscita all’essiccatore.
Per quel che concerne la caratterizzazione energetica del componente nel campo “ Potenza elettrica
assorbita nominale” si riporta la potenza di targa assorbita dall’essiccatore (P e,ess ).
Nel campo “Potenza elettrica assorbita nominale ”, si riporta il valore di potenza elettrica assorbito
dal compressore presente nel sottosistema essiccatore e, nel campo “COP essiccatore”, si riporta il
coefficiente di prestazione della macchina. Entrambi i dati possono essere reperiti dalle
caratteristiche tecniche dell’essiccatore.
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Il quantitativo di energia termica sottratta dall’essiccatore al flusso di aria compressa ( “Potenza
termica sottratta), viene calcolato attraverso la relazione seguente.
dove:
-
= Potenza termica sottratta dall’essiccatore;
= Potenza elettrica assorbita dall’essiccatore;
= Coefficiente di prestazione essiccatore.
Nel campo “Consumo energia elettrica essiccatore”, si riporta il consumo energetico annuale,
calcolato come prodotto tra la potenza elettrica assorbita e le ore totali di esercizio annuali:
Nel campo “ Fughe sistema di essiccazione”, si riportano eventiali fughe di aria compressa disperse
dall’essiccatore, infine nell’ultimo campo “costo essiccatore” si riporta la voce che si riferisce al
costo d’acquisto dell’essiccatore.
Filtri polvere
L’aria compressa prima di essere inviata alle linee di distribuzione, subisce un ulteriore processo di
filtrazione che consente un ulteriore abbattimneto del contenuto di polveri presenti. La
caratterizzazione dei filtri polvere è stata eseguita in modo analogo a quella dei filtri olio.
Sistema di regolazione e controllo
Il sistema di regolazione e controllo garantisce la corretta gestione dei compressori.
Caratterizzare il componente dal punto di vista energetico non risulta conveniente dal momento che
il consumo di energia è pressochè irrilevante rispetto all’enorme assorbimento energetico dei motori
elettrici associati ai compressori. Per completezza sono stati comunque previsti dei campi,
all’interno del codice di calcolo, che contengono i dati energetici del sistema di regolazione
econtrollo.
Al variare della tipologia, cambia la gestione dei compressori e di conseguenza il consumo
energetico. Nel campo “Tipologia”,si riporta un elenco dei preincipali sistemi di regolazion e
econtrollo esistenti (Figura 3.8).
Fig. 3.8 - Menù a tendina riportante i tipi di sistemi di regolazione possibili.
Nel campo “Rendimento di regolazione”, si valuta il rendimento connesso al sistema di regolazione
che incide sull’efficienza complessiva dell’impianto.
Nei campi che seguono, si riportano i parametri energetici caratterizzanti i sistemi di regolazione e
, (dato reperibile dalla scheda
controllo tra cui: i) la potenza elettrica assorbita dal sistema (
tecnica della macchina), ii) consumo di energia elettrica regolazione/controllo, iii) costo del sistema
di regolazione /controllo.
Costi impianto aria compressa
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Si conclude la sezione 1 relativa alle caratteristiche del sistema di produzione dell’aria compressa,
con la sottosezione destinata a riassumere tutte le voci di costo dell’impianto. Un campo risulta
adibito all’inserimento del numero di accensioni annuali dell’impianto. In tal modo è possibile
controllare le elevate correnti di spunto a cui sono associati elevati consumi di energia elettrica.
Nel campo “ fughe impianto di aria compressa”,si riporta la sommatoria delle varie fughe presenti
su ogni componente costituente l’impianto di produzione dell’aria compressa. Seguono nei campi
successivi tutte le voci di interesse economico per l’analisi LCC. Nel campo “Incentivi in conto
capitale”, si riportano eventuali incentivi di cui l’impianto ha usufruito al momento dell’acquisto
unitamente ad altri possibili incentivi che è possibile ottenere da eventuali sostituzioni parziali o
totali dei componenti dell’impianto esistente. Seguono le principali voci di costo da sostenere per la
realizzazione di un nuovo impianto, quali: i) costo totale attrezzature impianto; ii) costo
progettazione; iii) costo installazione impianto. Si riporta infine nel campo “Costi totale impianto”,
la somma di tutte le voci di costo sopra menzionate, detraendo gli eventuali incentivi di cui
l’impianto ha usufruito. Attraverso questa sottosezione è possibile effettuare ipotesi di retrofit ed
ottenere un rapido riscontro economico degli investimenti.
SEZIONE 2 – Manutenzione ordinaria impianto
Nella seconda sezione del codice di calcolo sono stati analizzati solo quei componenti soggetti a
manutenzione ordinaria (filtri di aspirazione, filtri olio e polveri, essiccatore), riportando la
frequenza di manutenzione ed i costi di manodopera associati all’intervento nel caso di semplice
pulizia dell’elemento filtrante. Nelle Tabelle 3.5, 3.6 e 3.7 si riportano le voci che fanno riferimento
alla manutenzione ordinaria dei componenti.
Tabella 3.5 - Manutenzione ordinaria dei filtri aspirazione.
Tabella 3.6 - Manutenzione ordinaria filtri olio.
Tabella 3.7 -Manutenzione ordinaria dell’essiccatore e dei filtri polvere.
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SEZIONE 3 – Manutenzione straordinaria impianto
Nel codice di calcolo la sezione 3 è stata suddivisa in differenti sottosezioni contenenti una
descrizione dettagliata dei possibili interventi di manutenzione straordinaria. Si riportano di seguito
tali interventi unitamente ai campi che li caratterizzano.
-
Sostituzione filtri aspirazione (Numero di sostituzione filtri per anno, Costo filtro di
aspirazione);
Manutenzione compressore (Intervallo di manutenzione straordinaria, Tempo
impiegato per la manutenzione, Costo manodopera per intervento, Costo componenti
revisionati/sostituiti, Costo totale intervento);
Sostituzione filtro aria/olio/polveri (Utilizzo filtro, Intervallo di manutenzione
straordinaria, Numero di sostituzioni dei filtri per anno, costo del singolo filtro);
Sostituzione/ manutenzione componenti ausiliari come ad es valvole, elettrovalvole,
sensori di misura della pressione, valvole di spurgo condensa. (Costo materiali di
ricambio complementari, Costo materiali di ricambio per accidentalità, Costo totale
sostituzione manutenzione).
SEZIONE 4 – Sistema di distribuzione dell’aria compressa
Un impianto di produzione dell’aria compressa, in generale è dotato di più linee di distribuzione atte
ad asservire più utenze di diversa tipologia. In questa sezione si riporta una raccolta delle principali
informazioni necessarie a monitorare i consumi di energia su una linea di distribuzione. Nei primi
campi si riportano le informazioni riguardanti tipologia, denominazione ed utilizzo del condotto.
Seguono campi in cui vengono riportati il numero di linee di distribuzione presenti (con un numero
massimo pari a 9) e la denominazione della linea. Nel campo “Temperatura rete di distribuzione” si
riporta la temperatura a cui si trova la linea di distribuzione, che nel software è stata posta pari alla
temperatura in uscita dai filtri polvere, mentre nel campo “Pressione rete distribuzione”, si riportano
le pressioni settate per ogni singola linea in funzione dell’utilizzo finale dell’aria compressa. Nel
campo “Tipologia di distribuzione”, compare un menù a tendina con la possibilità di scegliere linea
per linea il tipo di distribuzione presente (cieche, ad anello chiuso o infine miste). Nel campo
“Lunghezza totale condotte”, si riporta la lunghezza delle condotte che compongono la singola linea
di distribuzione, dato quest’ultimo necessario per determinazione delle perdite di carico. È da
osservare che in questo campo si riporta solo la lunghezza dei tratti rettilinei, mentre nel campo
successivo denominato “Lunghezza totale equivalente condotte”, si tiene conto anche delle perdite
di carico localizzate. Nel campo “Dimensioni medie condotti”, si riporta una stima di quello che è il
diametro medio delle condotte che costituiscono una linea. Nel campo “perdite di carico medie”, si
riporta il valore stimato della perdita di carico media per metro di condotto lineare. Tale valore è
importante per determinare nel campo “Perdite di carico totali”, il valore della caduta di pressione
che la linea esercita, calcolato come prodotto tra la perdita di carico media e la lunghezza
equivalente della linea;
dove:
= Perdita di carico totale generata dalla linea;
= Perdita di carico medie per metro di condotto;
= Lunghezza totale linea di distribuzione.
Altro parametro molto importante per uno studio di efficientamento energetico è l’aliquota di aria
compressa dispersa lungo le linee. La stima di tale valore viene riportata nel campo “Fughe
sistema” ed è funzione della sezione dei fori presenti sulla linea.
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
SEZIONE 5 – Costi di esercizio impianto
In questa sezione vengono analizzati i principali parametri economici ed alcuni indicatori energetici
ricavati dall’esercizio dell’impianto. Si susseguono vari campi contenenti informazioni relative a:
volumi di aria totali prodotti e dispersi in un anno e valore in percentuale del peso delle fughe,
calcolato come rapporto tra il volume totale prodotto e il volume totale delle fughe:
dove:
-
= Percentuale di aria dispersa rispetto al totale prodotto;
= Volume di aria totale prodotto in un anno;
= Volume di aria totale dispersa in un anno.
Nel campo “Consumo energetico annuale”, viene definito il consumo di energia totale calcolato
sommando i vari contributi di energia determinati per ogni singolo componente:
-
dove:
= Energia elettrica totale consumata in un anno;
= Energia elettrica totale consumata dai motori elettrici;
= Energia elettrica totale consumata dal refrigeratore finale;
= Energia elettrica totale consumata dall’essiccatore;
= Energia elettrica totale consumata dal sistema di regolazione.
Determinato il consumo di energia annuale, nel campo “Costo energetico annuale”, si determina il
costo energetico di esercizio dell’impianto:
dove:
-
= Costo energia elettrica in un anno;
= Costo di fornitura dell’energia per (kWh).
La successiva valutazione del costo energetico per Stm3/h di aria è un indicatore energetico
importante per le analisi dei possibili retrofit, poiché, in seguito ad interventi migliorativi apportati
all’impianto, consente la percezione immediata del risparmio economico ottenibile per il singolo
Stm3 di aria prodotto. Questo indicatore è calcolato come rapporto tra il volume di aria totale
prodotto in un anno e il costo energetico necessario a produrlo:
Definito il costo energetico per metro cubo di aria prodotta in un anno, si riporta il costo energetico
per la produzione dell’aria dispersa dalle fughe, calcolata come prodotto tra il volume di aria
dispersa e il costo per metro cubo ora sostenuto:
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Il costo totale per la manutenzione ordinaria è calcolato come somma di tutti i costi presenti nella
sezione 2 riferita alla manutenzione ordinaria:
dove:
= Costo totale manutenzione ordinaria;
= Costo totale manutenzione filtri aspirazione;
= Costo manutenzione filtri olio;
= Costo manutenzione essiccatore;
= Costo manutenzione filtri polvere.
In modo analogo nel campo “Costo annuale per la manutenzione straordinaria”, è stato determinato
il costo totale per la manutenzione straordinaria.
dove:
= Costo totale manutenzione straordinaria;
= Costo totale manutenzione straordinaria filtri aspirazione;
= Costo manutenzione straordinaria compressore;
= Costo manutenzione straordinaria filtri aria/olio;
= Costo manutenzione straordinaria filtri olio;
= Costo manutenzione straordinaria filtri polvere;
= Costo totale manutenzione straordinaria componenti complementari.
Infine nel campo “Costi totali annuali di esercizio”, si riporta la somma di tutti i costi di cui
l’impianto ad aria compressa necessita, ottenibili sommando i costi energetici ed i costi di
manutenzione ordinaria:
SEZIONE 6 – Redditività
Le tre sezioni del software fin qui analizzate, sono state dedicate ad un’analisi tecnica progettuale di
un impianto per la produzione dell’aria compressa, è ovvio che non esiste un’unica soluzione
tecnica per apportare migliorie all’impianto, ma ce ne possono essere molteplici. Per valutare
correttamente tutte le possibili scelte tecniche che possono essere apportate, in questa sezione si
effettua un’analisi economica degli investimenti. L’analisi economica si imposta su un raffronto tra
l’investimento e i benefici monetizzati che si ottengono nell’arco della sua vita utile. Inoltre
permette di valutare la convenienza di un singolo intervento, o di scegliere tra più interventi il più
redditizio.
Questo tipo di analisi economica prende il nome di analisi costi-benefici. Ottenuti questi indicatori
basterà per ogni ipotesi di retrofit, confrontare i dati per capire quale è l’investimento più
vantaggioso.
Nel campo “Risparmi energetici annuali”, viene calcolato il risparmio atteso in termini energetici
dell’impianto nell’ipotesi di retrofit, ed è calcolato per differenza tra il consumo energetico
dell’impianto esistente e l’eventuale consumo stimato dello stesso nelle ipotesi di retrofit, attestando
quale è il risparmio in termini di consumi energetici:
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
con:
-
= Risparmio energetico per ipotesi di retrofit.
Valutato il risparmio energetico è possibile valutare il risparmio economico, moltiplicando il
risparmio energetico per il costo unitario dell’energia, come riportato nella tabella dei dati
economici generali:
con:
-
= Risparmio economico per ipotesi di retrofit.
Valutato il risparmio in termini economici nel campo “Simple Pay Back”, viene stimato il tempo
necessario (solitamente espresso in anni), per il ritorno economico dell’investimento.
con:
-
= Costo totale impianto ipotesi di retrofit.
Il costo totale impianto come inserito nella formula per il calcolo del ritorno economico, nell’ipotesi
di retrofit è composto solo dai costi dei componenti che vengono sostituiti, in questo modo si
considerano i soli investimenti effettuati per ottenere un beneficio in termini di risparmio
energetico-economico. Il Simple Pay Back ci fornisce solo un indicazione di massima di ciò che
sarà il vero ritorno economico dell’impianto. Per una accurata analisi del tempo di ritorno
economico nel campo “Pay Back attualizzato”, viene calcolato l’esatto tempo di ritorno economico
attualizzando negli anni il valore del risparmio. E’ necessario attualizzare il risparmio, poiché gli
eventuali benefici attesi sono traducibili in denaro solo in un secondo momento, a differenza
dell’investimento che viene effettuato disponendo di denaro attuale. Sono necessari quindi dei
coefficienti di comparazione che equiparino il denaro in tempi diversi. Il coefficiente che permette
di comparare somme di denaro in tempi diversi è definito tasso di interesse, inteso come quota
parte percentuale della quantità di denaro in questione.
Nella tabella “Diagramma dei flussi di cassa”, si riportano i vari flussi di cassa attesi, di tutte le
somme di denaro entranti ed uscenti negli anni. In Fig (3.9) si riporta come si presenta nel software,
la tabella dei flussi di cassa.
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Fig. 3.9 - Diagramma dei flussi di cassa attualizzati.
La tabella riportata è di supporto ai calcoli presenti nella sezione redditività, per cui si procede
parallelamente ad illustrare le operazioni riportate nella sezione redditività e nel diagramma dei
flussi di cassa ,sia per l’impianto esistente che per le ipotesi di retrofit.
Nel caso di impianto esistente nelle prime due colonne del diagramma flussi di cassa, si riportano i
flussi di cassa relativi alle sole uscite di denaro di cui un impianto per la produzione di aria
compressa necessita, che corrispondono ai costi di manutenzione e di esercizio impianto come
definiti nelle sezioni precedenti del software, infine nell’ultima colonna si riporta il totale calcolato
come somma dei costi di manodopera e dei costi di gestione impianto.
Nelle ipotesi di retrofit, nella prima colonna sono stati determinati i flussi di cassa dei potenziali
risparmi attesi, intesi come benefici generati dall’eventuale investimento di efficientamento
energetico apportato all’impianto esistente. I flussi di cassa attualizzati sono stati calcolati
attraverso la seguente relazione:
con:
= Flusso di cassa atteso all’anno “n”;
= Risparmio economico per ipotesi di retrofit;
- i = Taso di interesse annuale;
= anni di vita utile impianto;
= Fattore di sconto in funzione di n ed i.
Nella colonna successiva ai flussi di cassa si riporta la sommatoria cumulata dei flussi di cassa ed
infine nell’ultima colonna si riporta il calcolo del VAN definito valore attuale netto
dell’investimento, che corrisponde alla differenza tra la somma dei flussi di cassa e il valore
dell’investimento:
-
con:
= Valore attuale netto dell’investimento;
= Generico flusso di cassa all’anno j-esimo;
= Investimento effettuato per l’ipotesi di retrofit.
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Un valore positivo del VAN sta ad indicare che i benefici che derivano dall’investimento, superano
il valore dell’investimento stesso, e quindi l’ipotesi di ottimizzazione fatta è economicamente
vantaggiosa, mentre al contrario un valore negativo del VAN, indica che l’investimento non è
remunerativo e quindi da non effettuare. Per definire quale tra due o più ipotesi di retrofit sia la più
remunerativa in termini economici, nel campo “Indice di profitto”, si definisce un indice, calcolato
come rapporto tra il valore attuale netto (calcolato al tempo di vita utile dell’impianto), e
l’ammontare dell’investimento per le ipotesi di retrofit:
Il retrofit con il più grande valore dell’indice di profitto, corrisponde ad avere il miglior
compromesso tra investimento e risparmio atteso, risulterà quindi la migliore proposta di
ottimizzazione per l’impianto di produzione dell’aria compressa.
Interventi di ottimizzazioni energetica che vengono apportati ad impianti già esistenti in generale
permettono a fronte di un investimento iniziale, di avere risparmi di energia primaria come ad
esempio energia elettrica, combustibili fossili e gas naturale, il che si traduce oltre ad un risparmio
economico, anche ad una riduzione delle emissioni inquinanti in atmosfera. Tra i principali
inquinanti emessi da un processo di combustione (ad esempio del metano per uso diretto o per la
produzione di energia elettrica), c’è l’anidrite carbonica, responsabile dell’effetto serra. Nel campo
“Emissioni evitate annuali”, si riporta il calcolo del quantitativo di anidrite carbonica che viene
evitato, il calcolo e dato dalla seguente relazione:
con:
-
= tonnellate di anidrite carbonica evitate in un anno;
= Risparmio di energia elettrica annuale.
Nel campo successivo si riporta il quantitativo di anidrite carbonica evitata all’anno espressa in
tonnellate di petrolio equivalente all’anno (Tep/anno). Questo dato è di più facile comprensione per
eventuali incentivazioni. Ed infine nel campo “Emissioni evitate totali”, si riporta il totale di
anidrite carbonica evitata nell’arco della vita utile residua dell’impianto.
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
3.3 Bibliografia
1. Compressed air, Introducing energy savings opportunities for business, Pubblicazione Carbon
Trust CTV017, Technology Overview.
www.carbontrust.co.uk
2. Improving Compressed Air System Performance, a Sourcebook for Industry, Pubblicazioni e
fonti dell’U.S. Department of Energy (DOE), Office of Energy Efficiency and Renewable Energy
(EERE).
http://www.eere.energy.gov/industry/bestpractices/compressed_air.html
3. RETScreen International – Il potere delle decisioni sull’uso di energia pulita, Natural Resources
Canada.
http://www.retscreen.net/it/d_o_view.php
4. Progetto CARE+: l’uso responsabile dell’Energia
www.cefic.org/careplus
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
4. Strumenti per la gestione energetica applicati a servizi tipici del settore chimicofarmaceutico: Sistema di produzione del freddo
Un’ulteriore voce di costo estremamente impattante dal punto di vista energetico è la produzione
del freddo sia per il convenzionale utilizzo nella climatizzazione industriale (nell’industria
farmaceutica esaltata dalle numerose camere bianche con elevatissimi ricambi d’aria esterni), sia
per l’utilizzo del freddo nel processo di produzione e nelle celle frigorifere di conservazione e
stoccaggio (che talvolta necessitano di temperature estrememente ridotte).
Anche gli impianti di produzione del freddo si presentano estremamente complessi per le
trasformazioni termodinamiche dei fluidi termovettori elaborati. Un analisi preliminare delle “best
practice” può dare un’idea di questa complessità. I sistemi di produzione più efficienti sono
riconducibili a:
- sistemi ad assorbimento ad acqua calda prodotta da: i) sistemi di trigenerazione; ii)
Solare termico; iii) Teleriscaldamento; iv) caldaie a biomassa
- chiller ad elevate prestazioni: i) elevato rendimento ai carichi parziali; ii)
raffreddamento ad acqua di falda; iii) geotermici (terreno); iv) recupero di calore di
condensazione.
Anche in tal caso le maggiori inefficienze energetiche derivano dalla difficolta di mettere insieme le
esigenze di produzione, gestione ed utilizzo dell’energia. In particolare esse sono allocate in:
-
-
le sproporzionate e, talvolta, obsolescenti unità di produzione e distribuzione del freddo
che spesso non sono strutturate per poter differenziare i mutati regimi di funzionamento
in funzione delle ridotte richieste (solo pochissimi stabilimenti presentano ancora un
regime di funzionamento su tre turni a pieno regime per il quale tali impianti sono stati
progettati e realizzati),
la limitata e, talvolta, confusa manutenzione che lascia sugli impianti di produzione e
distribuzione una stratificazione di interventi in cui non sempre è leggibile il progetto
originario, ed infine
la anelasticità dei requisiti di qualità dell’utilizzazione sia per la rigidità della
normativa di riferimento (ad es. nei set point di temperatura e umidità, nel numero di
ricambi di ventilazione, ecc.), sia per la prevalenza delle ragioni dell’ufficio qualità a
quello energia, sia infine per l’incapacità di leggere (anche economicamente)
l’enormità dei consumi sottesi alle proprie richieste energetiche.
Gli stabilimenti produttivi operanti nel settore farmaceutico mostrano caratteristiche comuni
relativamente ai criteri progettuali e di dimensionamento delle utility del freddo.
In particolar modo vengono esacerbati i requisiti di:
1. affidabilità e purezza dell’aria nelle camere bianche per quanto attiene al campo HVAC e
microclima;
2. affidabilità e continua disponibilità della risorsa “freddo”, per la filiera di processo.
Ciò comporta il sostanziale allineamento delle installazioni, verificate nei siti
produttivi farmaceutici, verso due filosofie progettuali collaudate ed ampiamente
condivise.
Più segnatamente è possibile rilevare :
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
a) una prima architettura impiantistica, riguardante il condizionamento: delle camere bianche,
dei magazzini e dei luoghi di lavoro, affrontato normalmente con Centrali di Trattamento
Aria, abbinate a Gruppi Frigo raffreddati ad aria, con istallazione locale in prossimità
dell’utenza da servire.
b) una seconda organizzazione degli impianti con localizzazione della produzione del freddo in
sottocentrali caratterizzate da gruppi frigo a vite, con acqua di impianto glicolata o a
salamoia e raffreddamento del condensatore con torre evaporativa.
Le filosofie progettuali indicate nelle lettere a) e b) sono meglio evidenziate negli schemi funzionali
di cui alle figure 4.1 e 4.2
Figura 4.1 – Schema di impianto frigo con chillers raffreddati ad aria ed utenze su circuiti di spillamento
Figura 4.2 – Schema di impianto frigo con chiller raffreddato ad acqua ed utenze su circuiti di spillamento
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
La prima ipotesi è privilegiata per potenze piccole e medie, laddove i costi di pompaggio e di
realizzazione di lunghe reti di distribuzione del fluido, vanificherebbero i maggiori rendimenti dei
sistemi raffreddati ad acqua di torre. Si preferisce pertanto giungere in prossimità dell’utenza con il
solo cavo di potenza elettrica trasformandola localmente in potenza frigorifera. Risulta evidente per
questo approccio la dipendenza dell’efficienza globale del sistema dalla condizioni ambientali
esterne, con particolare riferimento alla Tbs dell’aria. Più segnatamente il massimo carico termico
(in caso di CTA per il condizionamento dell’aria) coincide con il punto di minima efficienza del
sistema di generazione del freddo.
L’architettura progettuale indicata nella figura 4.2 è universalmente riconosciuta come la più
affidabile per potenze medio grandi, è caratterizzata da: alti valori di generazione (COP 4,5 – EER
5,0 – ESEER 5,8), moderata insensibilità alle fluttuazioni della temperatura di bulbo secco dell’aria
esterna, graduali valori di gradienti termici nel circuito di produzione e distribuzione del freddo
grazie alle masse importanti di fluido in circolo.
Per contro necessita di una maggiore attenzione nella manutenzione dei componenti di impianto, di
un opportuno trattamento dell’acqua di torre oltre che di un maggior ingombro per l’allestimento
delle utility.
Gli audit energetici hanno permesso di appurare la presenza di entrambi i sistemi di generazione
nelle realtà produttive del raggruppamento di aziende accomunate dal progetto EMAS, e nel
contempo di evidenziare alcune criticità comuni alle due architetture tecniche che assumono un
maggior peso in funzione del regime di funzionamento richiesto agli impianti.
4.1 Ottimizzazione del sistema di produzione e distribuzione del freddo
Per quanto su detto le principali opportunità di risparmio energetico in fase di esercizio sono
conseguibili solo attraverso specifiche azioni quali:
- impostare ad una corretta temperatura le unità di refrigerazione;
- controllare e riparare regolarmente eventuali perdite nel sistema di refrigerazione;
- eseguire almeno una ispezione e manutenzione annuale sulle unità di refrigerazione e
sugli scambiatori;
- verificare che gli evaporatori sono regolarmente sbrinati che i condensatori siano puliti;
- mantenere l’isolamento delle tubazioni in buone condizioni;
- installare valvole termostatiche sui radiatori,
- stabilire requisiti minimi di raffrescamento per le singole aree degli edifici
- impostare correttamente i termostati per il controllo del freddo ed evitare parametri di
operatività contrastanti (e.g. funzionamento contemporaneo riscaldamento e
condizionamento);
- prevedere idonee schermature per la radiazione termica esterna;
- spegnere gli elementi di raffrescamento non necessari.
In Figura 4.1, si riporta una schematizzazione a blocchi delle principali macro aree su cui è
possibile intervenire per effettuare l’ottimizzazione energetica di un sistema di produzione e
distribuzione del freddo.
36 di 43
Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
CENTRALE
DI
COMPRESSIONE
RETE
DI
DISTRIBUZIONE
UTENZA
SISTEMA DI
CONTROLLO
Figura 4.1 – Schema a blocchi del servizio produzione e distribuzione del freddo
CENTRALE TERMO-FRIGORIFERA
Compressore
o Utilizzo di un compressore frigorifero più performante (ad esempio multistadio);
o Sostituzione di un compressore sovradimensionato con uno più efficiente eventualmente
associato ad un sistema di stoccaggio;
o Utilizzo di compressori frigoriferi a velocità variabile al fine di regolare la produzione del
freddo in funzione della domanda;
o Recupero ed utilizzo del calore dissipato dai compressori
Scambiatore
o Installazione di un recuperatore di calore che può essere adibito ad esempio al
riscaldamento dei locali;
Pompa secondaria
o Regolazione del flusso di fluido refrigerante secondario (ad esempio variando
elettronicamente la velocità della pompa);
Scambiatore freddo
o Regolazione del flusso d’aria delle batterie di raffreddamento attraverso una variazione
elettronica della velocità;
o Adozione di un sistema di sbrinamento adeguato ed efficace;
o Regolazione della temperatura di refrigerazione ad un valore non inferiore a quella
necessario.
Condensatore ad aria
o Controllo del flusso d’aria ai condensatori per variazione elettronica della velocità dei
ventilatori.
Circuito
o Verifica della presenza di eventuali perdite sul circuito del fluido frigorigeno;
o Ricarica del fluido frigorigeno se necessario;
o Verifica dello stato di isolamento del circuito del liquido frigorigeno procedendo alla
riparazione se necessario.
37 di 43
Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
RETE DI DISTRIBUZIONE
o Isolamento della rete di distribuzione dell’energia frigorifera.
UTENZA
o Riduzione degli ingressi di energia termica nelle zone di utilizzo del freddo;
o Diminuzione del tempo di permanenza negli ambiente climatizzati da parte dell’uomo (un
essere umano genera energia termica pari ad 80 W a riposo);
o Configurazione di tende con chiusura automatica;
o Riduzione del numero di aperture degli ambienti.
SISTEMA DI CONTROLLO
o Controllo della produzione di energia frigorifera in funzione delle esigenze;
o Ottimizzazione del rendimento energetico di istallazione in funzione delle condizioni esterne
e dei carichi;
o Ottimizzazione dello stoccaggio del freddo;
o Controllo della modalità di regolazione delle portate;
o Ottimizzazione del funzionamento delle batterie di raffreddamento;
o Arresto dei compressori non necessari;
o Applicazione di un sistema di by-pass tra alta a bassa pressione.
4.2 Un codice di calcolo per la diagnosi energetica e l’LCC del sistema di produzione e distribuzione del
freddo
Al fine di monitorare i consumi di una centrale termo frigorifera è stato realizzato un codice di
calcolo che analizza le diverse fasi del ciclo di produzione. Esso consente l’analisi delle voci di
consumo e di costo, l’individuazione delle eventuali inefficienze, la stima del risparmio energetico
annuo e dei tempi di ritorno dell’investimento in seguito ad eventuali ipotesi di retrofit.
Al fine di realizzare un modello per la stima dei consumi di una centrale termo frigorifera si fa
riferimento al seguente schema (Figura 4.2) in cui vengono riportati i gruppi frigoriferi, il circuito di
mandata principale e quello secondario, il separatore idraulico ed infine le utenze asservite.
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Figura 4.2 - Schematizzazione impianto termo-frigorifero
Il codice risulta suddiviso in diverse sezioni in cui si riportano:
Sezione 1 – Responsabile Energy Management
Sezione 2 – Dati generali economici
Sezione 3 – Dati generali termodinamici
Sezione 4 – Caratteristiche del sistema di produzione e distribuzione del freddo
Sezione 5 – Esercizio dell’impianto frigorifero (utilizzo e manutenzione)
Sezione 6 – Redditività
Le sezioni sono state suddivise in sottosezioni in cui sono presenti un certo numero di campi che
consentono l’inserimento dei parametri d’interesse.
Sezione 1 – Responsabile Energy Management
In tale sezione si riportano informazioni carattere generale in merito al progetto.
Sezione 2 – Dati generali economici
La raccolta dei dati economici di partenza prevede dei campi tra cui: i) prezzo medio elettricità, ii)
tasso inflazione, iii) costo manodopera per manutenzione, iv) tasso di sconto (prevedibile tasso di
interesse medio che potrebbe essere guadagnato durante la vita utile dell’impianto).
Sezione 3 – Dati generali termodinamici
Oltre ai dati economici è necessario reperire informazioni sulle proprietà termodinamiche esterne
quali: i) temperatura media aria esterna, ii) umidità relativa aria esterna, iii) temperatura media di
mandata e ritorno dell’acqua refrigerata.
Nel codice di calcolo è possibile gestire simultaneamente fino ad un numero massimo di 3 sistemi
di compressione e, attraverso appositi campi, è possibile effettuare ipotesi di retrofit (Tabella 1).
Tabella 4.3 - Struttura del codice di calcolo: impianto esistente ed eventuali proposte di retrofit
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Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
Sistemi esistenti
Unità
n.1
n.2
n.3
Ipotesi 1 - Retrofit impianto
n.1
n.2
n.3
Ipotesi 2 - Retrofit impianto
n.1
n.2
n.3
Sezione 4 – Caratteristiche del sistema di produzione e distribuzione del freddo
Le caratteristiche del sistema di produzione e distribuzione del freddo sono state analizzate nelle
diverse sottosezioni in seguito riportate: i) gruppo di refrigerazione, ii) sistema pompaggio circuito
primario, iii) sistema di accumulo (di centrale), iv) sistema pompaggio circuiti secondario, v)
sistema di distribuzione, vi) sistema di produzione e distribuzione del freddo.
-
Gruppo di refrigerazione
All’interno di questa sottosezione si inseriscono le voci che riguardano:
o tipologia gruppo compressione (scroll, a vite, multiscoll, bi-vite, centrifugo, levitazione
magnetica);
o potenza frigorifera nominale [P fn,ref ];
o coefficiente correzione potenza frigo [C f ] (ricavabile mediante apposite tabelle dalla
conoscenza delle temperature del fluido ed ambiente);
o potenza frigorifera reale [P fr,ref ] (ottenibile dal prodotto P fn,ref C f );
o potenza elettrica assorbita nominale [P e,ref ];
o coefficiente correzione potenza assorbita a freddo [C a,a-freddo ] (ricavabile mediante apposite
tabelle dalla conoscenza delle temperature del fluido ed ambiente);
o potenza elettrica assorbita reale [P er,ref ];
o COP nominale [COP n ] (il coefficiente di prestazione nominale è calcolato dal rapporto
[P fn,ref / P e,ref ];
o COP effettivo [COP eff ] (il coefficiente di prestazione effettivo è calcolato dal rapporto
[P fr,ref/ P er,ref ];
o Temperatura fluido frigorigeno uscita gruppo [T ff1 ];
o Potenza termica recuperata dai gruppi frigo [P t,ref ];
o COP globale con recupero di energia termica [COP rec ]; (calcolato come [P fr,ref + P t,ref )/
P er,ref ])
o Costo gruppi frigo;
o Costo totale gruppi frigo (somma dei costi dei singoli gruppi frigo).
-
Sistema pompaggio circuito primario
Si riporta di seguito la sequenza dei parametri che è necessario definire per caratterizzare il
sistema di pompaggio del circuito primario.
o Portata nominale elettropompa [Q];
o Prevalenza nominale elettropompa [H];
o Potenza elettrica nominale elettropompa [P e,nom ];
40 di 43
Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
o
o
o
o
o
o
o
Corrente nominale elettropompa [Inom,ep ];
5HQGLPHQWRQRPLQDOHVLVWHPDGLSRPSDJJLR>Ș nom,ep ];
Corrente elettrica assorbita [Iass,ep ];
Potenza elettrica assorbita [P e,ass ] (calcolata in funzione della corrente elettrica assorbita);
5HQGLPHQWRHIIHWWLYRGHOVLVWHPDGLSRPSDJJLR>Ș eff,ep ];
Costo pompe;
Costo totale pompe (somma dei costi delle singole pompe).
-
Sistema di accumulo (di centrale)
Associare ad una centrale frigorifera un accumulo significa una ottimizzare l’impianto sia sotto
l’aspetto funzionale che economico. Di solito si utilizzano uno o più serbatoi di stoccaggio
posizionati in parallelo o in serie rispetto ai gruppi frigoriferi. Nel codice di calcolo sono stati
previsti una serie di campi necessari alla raccolta delle informazioni relative a tali sistemi tra cui:
o
o
o
o
o
Numero di serbatoi;
Volume totale [V acc ];
Temperatura di accumulo [T acc ];
Pressione di accumulo [P acc ]
Costo serbatoio di accumulo.
-
Sistema pompaggio circuito secondario
Analogamente a quanto fatto per il circuito di pompaggio primario, si riportano anche per quello
secondario i parametri di principale interesse.
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Potenza Nominale [P non,circ ];
ǻT nominale [dt nom,circ ];
Portata Circuito nominale [Q nom,circ ];
Prevalenza Circuito nominale [H nom,circ ];
Potenza elettrica nominale elettropompa circuito [P e,nom ];
Corrente elettrica nominale elettropompa circuito [I nom,ep,circ ],
Rendimento nominale elettropompa circuito >Ș nom,ep,circ ]
Corrente elettrica assorbita elettropompa circuito [I Șom,pom ]
Corrente elettrica assorbita elettropompa circuito [I ass,circ ];
Rendimento effettivo elettropompa circuito [Ș eff,pom ]
Costo pompe
Costo totale pompe (somma dei costi delle singole pompe).
- Sistema di distribuzione
o Tipologia di distribuzione
o Temperatura mandata in uscita dal volano termico [Lc ]
41 di 43
Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
o
o
o
o
o
o
o
Temperatura mandata in ingresso utilizzatore
Temperatura ritorno in uscita utilizzatore
Temperatura ritorno in ingresso al collettore distribuzione
DT perso in isolamento
DT nell'utilizzatore
Perdite nell'isolamento
Potenza Utilizzatore
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Sistema di produzione e distribuzione del freddo
Potenza Frigorifera Installata
Potenza Elettrica Assorbita Circuito Primario
COP effettivo sistema Generazione
Potenza Frigorifera assorbita dai circuiti secondari
Perdite Globali negli isolamenti
Rendimento complessivo del sistema
Tempo di vita utile impianto
Incentivi in conto capitale
Costo totale attrezzature impianto
Costo progettazione
Costi altri equipaggiamenti
Costo di installazione impianto
Costo totale impianto
Sezione 5 – Esercizio dell’impianto frigorifero (utilizzo e manutenzione)
o
o
o
Uso compressore
Tempo giornaliero medio di accensione impianti
Numero giorni di funzionamento in un anno
Ore totali di esercizio annuale
- Esercizio impianto
o
Costo annuale per la manutenzione
o
Costo annuale totale di esercizio
Sezione 6 – Redditività
o
o
o
Risparmi energetici annuali
Risparmi economici annuali
Simple pay back
42 di 43
Strumenti di gestione energetica per il settore chimico-farmaceutico
o
o
o
o
o
o
Pay back attualizzato
VAN al tempo di vita utile
Indice di profitto
Emissioni evitate annuali
Emissioni evitate anno in Tep
Emissioni evitate totali
Al termine delle diverse sezioni nel codice di calcolo si riporta un diagramma dei flussi di cassa
dell’impianto e, attraverso dei risultati in forma grafica, è possibile avere una visione diretta dei
consumi e dei costi dell’impianto esistente e di quello proposto. Ulteriori indicazioni indicano il
risparmio ottenibile in funzione degli anni di vita utile.
4.3 Bibliografia
1. Energy Management Fact Sheet, Pubblicazione “Carbon Trust” GIL136.
www.carbontrust.co.uk
2. Practical Energy Management, Pubblicazione “Carbon Trust” CTV023.
www.carbontrust.co.uk
3. Guideline for Energy Management, Pubblicazione EPA EnergyStar.
www.energystar.gov/index
4. Step by step guidance for the implementation of Energy Management, Manuale “Bess Project”.
www.bess-project.info
5. The European standard EN 16001.2009 – Energy Management Systems – requisiti e linee guida
per l’implementazione.
http://www.cen.eu
6.Reference documents on Best Available Technologies (BREF), pubblicati dall’European IPPC
Bureau (Joint Research Centre della Commissione Europea).http://eippcb.jrc.es/reference/
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