Calore ed energia: i risultati della ricerca di Nier

Fig CIl Libro verde – Un quadro per le politiche dell’energia e del clima all’orizzonte 2030, approvato dalla Commissione europea nel marzo del 2013, prevede obiettivi ambiziosi in materia di cambiamenti climatici e consumi energetici, ponendosi in continuità con le politiche precedentemente adottate nel pacchetto Clima – Energia per il 2020.
Per realizzare un simile modello di sviluppo sostenibile, la diffusione di soluzioni finalizzate all’efficientamento energetico e alla razionalizzazione dei consumi si rivela oltremodo necessaria e le attività più energivore saranno chiamate verso un impegno sempre maggiore.
Il processo di fusione della ghisa richiede un enorme quantitativo di energia. Un aspetto fondamentale di questo processo è che una gran parte del calore sprigionato dalla combustione viene rilasciato nell’atmosfera, veicolato dai fumi caldi che escono dal camino. Un uso efficiente e razionale dell’energia può condurre a un elevato risparmio nella bolletta energetica, garantendo in questo modo anche un minore impatto ambientale dello stabilimento e una riduzione dei costi di processo, permettendo infine alla fonderia di essere più competitiva sul mercato globale.
Il presente articolo illustra l’analisi energetica condotta da Nier Ingegneria su una fonderia di ghisa di medie dimensioni e indirizzata esplicitamente all’identificazione dei potenziali interventi di ottimizzazione. In particolare, si descriveranno in questa sede i benefici conseguibili mediante il recupero di calore dei fumi in uscita dal cubilotto, in termini di riduzione della bolletta energetica; del minore impatto ambientale, e del miglioramento delle condizioni termo-igrometriche degli ambienti interni.

Descrizione del caso pilota
Lo stabilimento produttivo preso sotto esame è caratterizzato da un processo di formatura a verde su due impianti automatici, asserviti da un cubilotto a lunga campagna a vento caldo con capacità produttiva di 13 tonnellate all’ora; si presta particolarmente alla produzione di getti di media serie, con un peso da uno sino a 500 chilogrammi. La formatura, realizzata con terra a verde, è preparata da un impianto completamente automatico composto da due miscelatori, ognuno dei quali capace di trattare 50 tonnellate all’ora di terra, e che sono assistiti da controlli che ad ogni ciclo effettuano l’analisi della terra e apportano eventuali correzioni per il ciclo successivo; la movimentazione delle staffe avviene attraverso due linee, diverse per dimensione massima e produttività, e asservite da un robot antropomorfo a sei assi. La formatura delle anime è ottenuta attraverso un impianto automatico a doppio carro con quattro macchine per la produzione di anime in Cold Box (processo Ashland) e con tre macchine per la produzione di anime in Shell Moulding (processo Croning). A questo si aggiunge un impianto per la verniciatura delle anime e il forno di essiccazione. Per la fusione ci si affida ad un cubilotto a lunga campagna a vento caldo della capacità produttiva di 12 tonnellate all’ora e a un forno elettrico a induzione di preriscaldo da 420 kW della capacità di 30 tonnellate.

Analisi tecnica della fonderia
L’analisi tecnica della fonderia ha richiesto tre passaggi distinti. In primo luogo, sono stati necessari diversi sopralluoghi tecnici volti a comprendere e contestualizzare i processi produttivi, i macchinari e la gestione operativa dell’impianto. Le risultanze dei suddetti sopralluoghi sono state integrate dai dati messi a disposizione da parte del personale interno della fonderia, quali per esempio i consumi energetici, le quantità di ghisa fuse, le planimetrie, gli usi energetici, i macchinari installati, e altro ancora.
Successivamente, sono stati identificati i macchinari più energivori, per i quali si è reso necessario il reperimento di ulteriori dati. Nel caso preso in esame, non essendo direttamente disponibili i dati relativi alla portata media dei fumi del cubilotto, è stata avviata una campagna mirata per la misurazione delle portate e delle temperature medie, al fine di quantificare la quota parte di energia termica rilasciata al camino.
Infine, sono stati individuati potenziali proposte d’intervento valutandone la relativa fattibilità economica. Quale criterio primario di valutazione e selezione degli interventi si è scelto il pay back period, definito come numero di anni necessari per rientrare del costo d’investimento iniziale grazie ai flussi di cassa positivi generati dall’intervento stesso negli anni successivi.
Dall’analisi dei dati acquisiti è stato dedotto che i processi più energivori all’interno della centrale sono la compressione dell’aria e la fusione della ghisa. Il presente articolo si limita tuttavia alla sola analisi costi-benefici del recupero di calore dai fumi del cubilotto e non allo studio di fattibilità della sostituzione dei compressori e della rete di distribuzione dell’aria compressa.

Recupero del calore dai fumi in uscita dal cubilotto
A fronte degli elevati consumi di gas naturale, che comportano una bolletta annua superiore ai 300 mila euro, nel presente paragrafo si analizzano i possibili vantaggi conseguibili attraverso il recupero del calore dai fumi di combustione, per la climatizzazione invernale dei locali interni.
I fumi caldi escono dalla sezione di post-combustione del cubilotto a una temperatura di circa 1.000 gradi centigradi. Parte dell’energia contenuta nei fumi viene recuperata tramite uno scambiatore aria/aria che preriscalda il vento di alimento del cubilotto. Lo scambiatore riduce in tal modo la temperatura dei fumi i quali passano da una temperatura di 1000 gradi centigradi a una di circa 700 gradi. I fumi vengono poi inviati a due cicloni per l’abbattimento delle polveri più grossolane, e successivamente, prima di poter entrare nei filtri per l’abbattimento più spinto, devono essere ulteriormente raffreddati dai 500 gradi registrati in uscita dai cicloni fino a 150 gradi centigradi, in modo da evitare che i filtri si danneggino.
La campagna di misurazione della portata dei fumi in uscita dal cubilotto ha registrato una portata media oraria pari a circa 24 mila Nm3/h, che si traduce in circa 2 MW di potenza termica scaricata dai fumi.
Attualmente il riscaldamento in fonderia è garantito da caldaie e tubi radianti alimentati a metano. La potenza termica complessiva installata è pari a circa 1,5 MW. Si tratta di caldaie datate ed energeticamente non efficienti, con un posizionamento non ottimale e inadatte a garantire un adeguato livello di comfort ai lavoratori.
Si è ipotizzato quindi di recuperare l’energia termica contenuta nei fumi interponendo uno scambiatore fumi/acqua tra i cicloni e i filtri. Lo scambiatore, che è dimensionato per essere in grado di recuperare 1,5 MW, consentirebbe così lo spegnimento di tutte le caldaie installate in fonderia, durante i periodi di funzionamento del cubilotto. Il nuovo scambiatore, installato in parallelo allo scambiatore fumi/aria già esistente, potrebbe poi essere parzialmente by-passato in corrispondenza di una riduzione del carico termico. L’acqua calda prodotta dallo scambiatore fumi/acqua andrebbe così ad alimentare un serbatoio d’accumulo, appositamente dimensionato per compensare le variazioni temporanee di portata dei fumi del cubilotto. Il serbatoio alimenterà a cascata ventilconvettori ed aerotermi appositamente installati nei vari reparti per la climatizzazione invernale della fonderia. Questo intervento garantirebbe un miglioramento delle condizioni di comfort interno, poiché gli aerotermi evitano la stratificazione dell’aria all’interno dei locali e permettono di riscaldare omogeneamente tutti i locali della fonderia.
Provenendo dal processo di fusione, i fumi veicolano un’elevatissima quantità di polveri e particolato: lo scambiatore deve quindi essere dimensionato e installato in maniera tale da minimizzare il deposito delle polveri sulle superfici di scambio termico e il conseguente peggioramento del loro  rendimento. A un tale scopo si ritiene opportuna l’installazione di uno scambiatore a fasci tubieri, posizionato in direzione verticale in modo da consentire il passaggio dei fumi dall’alto verso il basso. Il corretto funzionamento dello scambiatore può essere garantito utilizzando le tecniche costruttive attualmente impiegate nel settore di produzione di energia elettrica a carbone, data la similarità del processo.
In aggiunta allo scambiatore, si è valutata l’opportunità di installare un assorbitore a bromuro di litio per il raffrescamento, in grado di produrre acqua refrigerata a partire dal calore recuperato dai fumi in uscita dal cubilotto. Questa tipologia d’intervento consentirà di estendere il sistema di raffrescamento, attualmente al servizio di una zona piuttosto ridotta, aumentandone l’efficienza globale e garantendo migliori condizioni di lavoro agli operai, sottoposti a temperature ambientali molto elevate, specie nel periodo estivo. In aggiunta, l’assorbitore a bromuro di litio consentirà di evitare i costi di sostituzione dei chiller attualmente installati nel laboratori chimici di fronte alla zona del cubilotto, soggetti all’azione delle polveri in sospensione che comportano frequentemente danneggiamenti irreparabili. Il raffrescamento di questi locali verrà garantito da ventilconvettori opportunamente dimensionati e dotati di filtri dedicati. Considerata l’importanza delle condizioni climatiche all’interno di un laboratorio chimico per il corretto funzionamento dei componenti e delle attrezzature installate, l’ottimizzazione del sistema di raffrescamento porterebbe un ulteriore vantaggio in termini di funzionalità operativa.
Per procedere a una quantificazione dei possibili benefici conseguibili, è stato necessario stimare i consumi di gas metano delle caldaie a partire da quelli complessivi attraverso una metodologia di calcolo appositamente definita, che quantifichi i consumi richiesti per il riscaldamento in base alle diverse temperature esterne mensili.
Sono state adottate le ipotesi seguenti: caldaie dimensionate in base al carico termico di picco, in corrispondenza della temperatura esterna di design; carico termico nullo in corrispondenza di una temperatura esterna prossima ai 16 gradi centigradi; temperatura esterna di design pari a -5 gradi centigradi.
I risultati ottenuti si sono dimostrati coerenti: sottraendo infatti tali valori ai consumi complessivi invernali riportati in bolletta, si ottengono valori di consumo prossimi a quelli mediamente registrati nei mesi estivi, attribuibili esclusivamente ai processi produttivi. Una più corretta analisi dei consumi potrebbe essere condotta mediante una campagna di misurazione ad hoc, contabilizzando i consumi di metano per ogni singola caldaia.

I risparmi conseguibili e i tempi di ritorno dall’investimento
Grazie al recupero del calore dai fumi in uscita dal cubilotto, si può conseguire un’importante riduzione della spesa energetica. Il prezzo medio dello standard metro cubo nel 2012 è stato di 0,48 euro per metro cubo standard (Sm3). Il risparmio sulla bolletta del metano è stato stimato all’incirca attorno a 45 mila euro all’anno. Grazie a questa tipologia d’intervento si può ottenere inoltre un notevole risparmio anche sulla bolletta dell’energia elettrica, grazie alla riduzione del carico di energia termica da smaltire mediante lo scambiatore aria/aria attualmente installato sul tetto, nonché al ridotto fabbisogno per il condizionamento estivo. Considerato tuttavia che una quota dell’energia elettrica risparmiata verrà utilizzata in parte dagli aerotermi e dalle pompe di ricircolo dell’acqua, nel calcolo del pay back period si è deciso cautelativamente di trascurare questa componente di risparmio.
Si segnala inoltre come ulteriore incentivo per la realizzazione dell’intervento la possibilità di accedere al meccanismo dei Tee (Titoli di efficienza energetica), comunemente detti anche certificati bianchi. In particolare, con un risparmio prossimo a 100 Tep (Tonnellate equivalenti di petrolio), e conseguente riduzione delle emissioni di CO2 pari a circa 230 tonnellate annue si possono ottenere Tee di tipo II, attestanti il conseguimento di risparmi di energia primaria attraverso interventi per la riduzione dei consumi di gas naturale.
Il valore di mercato di un Tee di tipo II si colloca  in un range che varia da un minimo di 87 euro per Tee a un massimo di 107 euro per Tee (dati di mercato nel secondo semestre 2012). Pertanto si stima per la fonderia un incentivo annuo di circa 10 mila euro, per cinque anni. Dato un investimento iniziale pari a circa 250 mila euro comprendente i costi di acquisto dello scambiatore fumi/acqua, dell’assorbitore a bromuro di litio, degli aerotermi e i costi per la manodopera e per la sicurezza, il pay back period risulta di circa cinque anni.

(All’interno del bando della Regione Emilia Romagna “Dai Distretti Produttivi ai Distretti Tecnologici” è stato avviato un programma di ricerca sulle tecnologie di conversione e gestione dei flussi energetici che mira ad offrire alle fonderie soluzioni tecniche verso una maggiore efficienza energetica. Anche a tale progetto si deve la stesura di questo articolo)

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