SUPPORTO ALLE DECISIONI E OTTIMIZZAZIONE DEL RECUPERO DI CALORE A BASSA TEMPERATURA IN INDUSTRIA
SUPPORTO ALLE DECISIONI E OTTIMIZZAZIONE DEL RECUPERO DI CALORE A BASSA TEMPERATURA IN INDUSTRIA
Risultati di progetto e strumenti sviluppati
Xxx. Xxxxxx Xxxxxxxxx, PhD DUEE-SPS-SEI
02/12/2021
Accordo di Programma MiSE (oggi MiTE)- ENEA "Ricerca di Sistema Elettrico" PTR 2019-21 6
Il calore di scarto industriale come risorsa energetica
Solo il 12%
globale è impiegata come energia utile
mentre la restante parte viene normalmente dissipata;
Secondo diversi studi in letteratura il calore di scarto rappresenta una quota tra il 25 e il 50% del consumo energetico globale;
Fonte: X. Xxxxx, X. Xxxxx e X. Xxxx; «Quantification of global waste heat and its environmental effects»; Applied Energy, vol. 235; pp. 1314-1334; 2019.
In Italia, il calore di scarto potenziale dal solo settore industriale è stimato essere pari a circa 27 TWh/anno (GSE, Gestore dei Servizi Energetici, 2016);
Con
il
termine
"calore
di
scarto"
si
definisce
l'energia
termica
Calore di scarto
Sebbene il settore industriale non sia caratterizzato dalla maggiore disponibilità di calore di scarto, è il settore con la più alta proporzione di calore recuperabile.
contenuta
negli
effluenti
di
processo
e
negli
scarichi
Energia Termica
Energia elettrica
Energia Frigorifera
Usi Esterni
Accordo di Programma MiSE (oggi MiTE)- ENEA "Ricerca di Sistema Elettrico" PTR 2019-21
Immagini: Xxxxxxxx.xxx 7
Le azioni in corso in Italia e in Europa
Il Piano Nazionale Integrato per
e il Clima riconosce
del recupero di calore di scarto come
strumento fondamentale per il raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione, efficienza, sicurezza energetica, sviluppo del mercato interno e ricerca, innovazione e competitività; difatti è inserito tra le tecnologie di prodotto e di processo essenziali da presidiare e sviluppare per la transizione energetica.
Sviluppo di strumenti di marketplace;
Simulazione e ottimizzazione energetica di distretti industriali.
A livello europeo, la Commissione ha posto il tema del recupero del calore di scarto industriale al centro di tavoli tecnici (programmi di collaborazione internazionale su specifiche tecnologie) e call for proposal per progetti di ricerca.
I database esistenti
Database dedicato agli interventi presentati dalle
aziende per richiesta di TEE;
Descrizione generica ;
Per il recupero di calore, forte preponderanza di progetti relativi a tecnologie di recupero termico mature e ampiamente diffuse come gli scambiatori di calore (444 casi sui 471 presenti nel database).
Database dedicato agli audit presentati dalle aziende e/o da consulenti; Descrizione generica degli interventi individuati, alcune volte con un follow- up per quanto riguarda ;
1
9
Per il recupero di calore, nonostante i tempi di ritorno siano piuttosto contenuti, una buona parte delle opportunità (in tutto circa 7.000) non è stata effettivamente colta dalle aziende.
Il progetto ENEA per lo sviluppo di strumenti di supporto alle decisioni e ottimizzazione del recupero di calore a bassa temperatura
Obiettivi del progetto
Incrementare la diffusione dei progetti di recupero del calore in ambito industriale;
Sviluppare strumenti di analisi e metodologie di supporto alle aziende per il recupero di calore a bassa temperatura.
Output principale
Sistema informativo contenente strumenti di supporto per la valutazione costi-benefici delle opportunità di recupero di calore di scarto industriale validato e testato sul campo.
FONTE DI CALORE
USO ENERGETICO
TECNOLOGIA DI RECUPERO
La struttura del software sviluppato
Il database di casi di recupero di calore di scarto industriale
Fonti analizzate
Articoli scientifici; Report di progetti;
Studi condotti da agenzie nazionali ed internazionali;
Diagnosi energetiche;
Interviste con aziende fornitrici di tecnologie di recupero.
Livelli di temperatura
500°C.
Numeri del database
Circa 220 documenti analizzati; Oltre 280 casi di studio.
Il database di casi di recupero di calore di scarto industriale
57 casi 38 casi
Accordo di Programma MiSE (oggi MiTE)- ENEA "Ricerca di Sistema Elettrico" PTR 2019-21
In costante aumento il numero di casi forniti da aziende produttrici di tecnologie di recupero
(ad oggi circa 10) 13
Le mappe delle sorgenti di calore di scarto nei processi industriali
DEFINIZIONE DEI PROCESSI
PRODUTTIVI "TIPO"
a. Analisi di letteratura tecnica per i settori industriali di interesse
DEFINIZIONE DELLE "MAPPE"
DELLE SORGENTI DI CALORE DI SCARTO A BASSA/BASSISSIMA TEMPERATURA
a. Identificazione
delle sorgenti di calore a bassa temperatura
b. Identificazione di
schemi di processo di letteratura
b. Confronto e
verifica sulla base delle informazioni di letteratura
c. Confronto degli
schemi di processo di letteratura
c. Caratterizzazione
delle sorgenti di calore di scarto in base ai dati a disposizione
d. Definizione di un
processo produttivo "tipo"
d. Definizione delle
"mappe" delle sorgenti di calore di scarto
Fonti analizzate
Articoli scientifici; Report di progetti;
Studi condotti da agenzie nazionali ed internazionali; Diagnosi energetiche.
Livelli di temperatura
500°C.
Numeri delle mappe di processo
Circa 220 documenti analizzati;
18 mappe di processo sviluppate (15 per il settore alimentare, di cui 11 per il settore caseario e 4 per il settore prodotti da forno).
Analisi della letteratura;
Implementazione di una preliminare metodologia di valutazione in ambiente
Excel/Visual Basic:
La metodologia di valutazione delle opzioni di recupero
DATI DI INPUT UTENTE
Dati relativi allo stabilimento (superficie, combustibili impiegati, rendimento del generatore di calore, ecc.)
CALCOLO INDICI DI PRESTAZIONE:
risparmi di energia
primaria
INDICE DI PRESTAZIONE DEFINITO
RANKING
delle opzioni di recupero
Calcolo combinazioni;
Opzioni di recupero termico;
Calcolo indici di prestazione;
Sintesi risultati;
Validazione della metodologia sulla base di casi di studio.
Parametri economici
(tasso di interesse, inflazione, costi dei vettori energetici impiegati, ecc.)
Possibilità di accesso a forme di incentivazione (TEE, ecc.)
DATI OPZIONI DI RECUPERO DI CALORE
(interne/esterne)
Risparmi di energia termica/elettrica
Costi di investimento e di esercizio e manutenzione delle tecnologie di recupero, vita utile
emissioni di CO2 evitate indici di redditività economica «classici»:
VAN, VAN/I0, PBTs, PBT,
TIR, ecc.
indici di redditività specifici per gli interventi di recupero termico: ERCth, ERCel, ERCtep
ANALISI DI
ai parametri
R, f, ccomb, cel, I0
Implementazione in Excel prevista
(metodo Montecarlo)
INSIEME DEGLI INDICI PRESTAZIONALI
(assegnazione di un punteggio a ciascun indice in base al valore assunto rispetto ai valori min e max
Definizione ed implementazione in
2021
opzioni indagate)
Gli indici di redditività specifici per gli interventi di recupero termico
Gli indici di redditività comunemente adottati tendono a prediligere interventi con risparmi piccoli ma tempi di ritorno brevi;
Difficoltà nel valorizzare il recupero di calore.
Presentano un calcolo semplificato anche se a volte sono necessarie iterazioni (VAN)
Metodologia ispirata a quella già in uso per gli impianti di produzione di energia elettrica (COE, costo unitario associato alla produzione del kWh).
Consente di mettere a confronto interventi aventi diversa vita utile ed un differente
Prescinde
conoscenza dei flussi di cassa generati
ERC
condizionata dai costi dei vettori energetici
Indici
«tradizionali»
Tengono conto del fenomeno
ERC = Xxxxx complessivo che deve sostenere per conseguire un risparmio di energia unitario, lungo vita utile di recupero.
Difficilmente tengono conto della vita utile o non consentono di confrontare interventi con diversa vita utile
Gli indici di redditività specifici per gli interventi di recupero termico
CO&M comprende i costi operativi e di manutenzione annuali, associati
della tecnologia di recupero; Ra sono i risparmi di energia conseguiti su base annua;
famm consente di ripartire il costo di investimento vita utile e corrisponde
pertanto del fattore di annualità (FA).
Riferendo il costo unitario di recupero di emissioni di CO2 evitate.
Primi risultati dai casi di studio
Casi di studio | 1 | 2 |
Descrizione dei casi di studio | ||
sorgente di calore di scarto | Latte nei maturatori | Sistema di produzione compressa |
tecnologia di recupero di calore | Scambiatore di calore | Scambiatore di calore |
superficie sito produttivo (m2) | N/A | N/A |
tasso di interesse nominale (%) | 4 | 4 |
inflazione (%) | 0 | 0 |
costo gas naturale ( /Sm3) | 0.28 | 0.28 |
costo dell'energia elettrica ( /kWhe) | 0.125 | 0.125 |
accesso ai Certificati Bianchi | NO | NO |
valore dei TEE ( /tep) | - | - |
durata dei TEE (anni) | - | - |
risparmio di energia termica (kWht/anno) | N/A | N/A |
risparmio di energia elettrica (kWhe/anno) | 0 | 0 |
risparmio di combustibile (Sm3 di gas naturale/anno) | 60000 | 23400 |
risparmi di energia primaria (tep/anno) | 50.6 | 19.7 |
emissioni di CO2 evitate (t CO2/anno) | 118.5 | 46.2 |
Indici di redditività considerati per la validazione della metodologia | ||
VAN ( ) | 119263 | 31776 |
PBT (anni) | 1.1 | 3.9 |
TIR (%) | 99 | 25 |
* Ai fini della validazione sono stati considerati ulteriori dati non riportati in tabella per motivi di riservatezza | ||
300
250
200
150
100
50
0
valori diagnosi valori calcolati
CASEARIO_CASO_1 CASEARIO_CASO_2
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
8
valori diagnosi valori calcolati
7
6
5
4
3
2
1
0
CASEARIO_CASO_1 CASEARIO_CASO_2
0.28
ERCNG 0.28
cNG
0.03
0.13
0.00
CASEARIO_CASO_1 CASEARIO_CASO_2
Tipologia intervistati: 15 fornitori;
4 progetti di ricerca internazionali.
Le barriere di carattere informativo/conoscitivo rimangono tra le più importanti per di tecnologie
Le attività di confronto con il mondo industriale (fornitori di tecnologie)
per il recupero di calore da parte delle aziende. Inoltre, permane in molti casi la percezione energetica come un aspetto secondario e lontano dal core business aziendale.
importante barriera è la frammentazione della filiera di produzione di queste tecnologie: i clienti cercano sempre più spesso soluzioni in per le quali è necessario il coordinamento di produttori di vari componenti, installatori, etc. In questa ottica diventa fondamentale il ruolo di coordinamento che possono svolgere, ad esempio, le Energy Service Companies (ESCO).
Altro ruolo importante delle ESCO è quello di ridurre investimento iniziale richiesto in molti casi da tali tecnologie, attraverso ad esempio un più semplice accesso a incentivi o contratti EPC. Altre barriere relative ai meccanismi incentivanti sono la mancata possibilità di rendere eleggibile il recupero di calore per la generazione di energia elettrica del meccanismo ETS e di una tariffa dedicata per elettrica necessaria ad alimentare le pompe di calore.
Altra barriera fondamentale è quella relativa alla complessa individuazione di flussi di calore di scarto con le giuste caratteristiche per di determinate tecnologie. Per le sorgenti ad alta temperatura di settori come vetro e cemento e caratterizzazione è più standardizzata e quindi più semplice. Le misure di efficientamento dei sistemi termici rimangono comunque di più difficile progettazione, gestione e monitoraggio rispetto a quelle di sistemi elettrici.
Infine, una barriera fondamentale da considerare è il potenziale impatto di queste
tecnologie sullo stabilimento e sul processo produttivo, soprattutto relativamente agli ingombri, alla complicazione impiantistica e di collegamento/ausiliaria.
Xxxx, D., Xxxxxxx, X., Xxxxxxxxx, V., & Xxxxxxxxx, M.
and development of a database to identify and evaluate waste heat
recovery . In Proceedings of the Summer School Xxxxxxxxx Xxxxx: 00xx Xxxxxx Xxxxxx Xxxxxxxxx Xxxxx, 0000. Xxxxxxxxx, M., Xxxx, D., Xxxxxxx, V., Xxxxxxxxxxxx, A.
. In Proceedings of the International Conference on Applied
Energy 2020, at: Bangkok / Virtual.
Impatto scientifico del progetto ad oggi
Xxxxxxxxx, M., Xxxx, D., Xxxxxxxx, L., Xxxxxxx, V., Xxxxxxx, P., & Xxxxxxxxxxxx, A. (2021).
of a Database of Case Studies
and Technologies to Increase the Diffusion of Low-Temperature Waste Heat Recovery in the Industrial . SUSTAINABILITY, 13(9), 5223 [10.3390/su13095223].
Xxxxxxxxx, X., Xxxxxxxx, X. (2020). Soluzioni per il recupero del calore a bassa temperatura nell'industria . Energia, Ambiente e Innovazione, xxxxx://xxx.xxx.xxxx.xx/xx-xxxxxxx/xxxxxxxxxx-xxxxxxxxxx-xxxxxx-xxxxx/xxxxxxxxx-xxx-xx-xxxxxxxx-xxx-xxxxxx-x-xxxxx- temperatura-nell-industria.html.
Xxxxxxxxx, X., Xxxxxxxx, X., Xxxxxx, M. (under review at the Journal of Cleaner Production). Explorative study on waste heat production intensity and recovery practices in the textile sector: first steps towards the creation of a decision support tool based xx
Xxxxxxxx, X., Xxxxxxxxx, M. (under review at Energies).
temperature waste heat sources and sinks in industrial processes: application in the Italian dairy
low-
.
Per ulteriori informazioni, report di progetto e materiale prodotto
Software e database saranno disponibili per il download gratuito nei primi mesi del 2022 sul sito xxxxx://xxx.xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx.xxxx.xx/
Xxx. Xxxxxx Xxxxxxxxx, PhD xxxxxx.xxxxxxxxx@xxxx.xx