Ottimizzazione dei processi termici e dei reattori per rientrare nella certificazione ISO 50001 e ridurre le emissioni

La revisione del 2018 dello standard sui sistemi di gestione dell’energia ha spostato l’accento dalla conformità documentale alla dimostrazione di un miglioramento misurabile delle prestazioni, con la conseguenza che un’organizzazione non ottiene e non mantiene il certificato limitandosi a descrivere procedure: deve provare, dati alla mano, che il consumo specifico si è ridotto a parità di condizioni operative. Per le imprese di processo questo requisito porta il baricentro del lavoro sugli impianti termici, dove si concentra la quota preponderante dell’energia acquistata e dove risiedono i margini di intervento più consistenti.

La difficoltà che le direzioni tecniche incontrano riguarda la distanza fra il linguaggio della norma e quello dell’impianto, perché un riesame energetico condotto senza competenze di processo produce un elenco di consumi per centro di costo che nessuno sa tradurre in interventi, mentre una diagnosi impiantistica svolta senza il quadro gestionale genera proposte tecniche che non entrano nel ciclo di pianificazione e non vengono mai finanziate.

Il collegamento fra i due piani passa dalla scelta degli indicatori e dei confini su cui misurarli, operazione che precede qualunque intervento fisico e che determina la possibilità stessa di dimostrare il risultato di un risparmio reale.

Riesame energetico e individuazione degli usi energetici significativi negli impianti termici

Il punto di partenza previsto dallo standard consiste nella ricostruzione del bilancio dei vettori energetici acquistati e nella loro attribuzione alle utenze, operazione che negli stabilimenti di processo si scontra con una strumentazione fiscale collocata al confine del sito e con contatori interni installati per esigenze diverse dalla contabilità energetica. La ripartizione basata su stime di potenza installata e ore di funzionamento fornisce una prima approssimazione, sufficiente a individuare gli ordini di grandezza e inadeguata a misurare gli effetti di un intervento.

Gli usi che la norma qualifica come significativi vengono selezionati incrociando l’entità del consumo con il potenziale di miglioramento, criterio che negli impianti termici sposta l’attenzione su generatori di vapore e acqua surriscaldata, forni di processo, essiccatoi, colonne di distillazione e reattori con cicli di riscaldamento e raffreddamento.

Per ciascuno di questi la sottocontatorizzazione dedicata costituisce l’investimento preliminare che rende possibile tutto il resto, con misuratori di portata sul vapore, contabilizzatori di calore sui circuiti ad acqua e analizzatori sui fumi.

La caratterizzazione di ciascun uso richiede la costruzione della relazione fra consumo e variabili operative che lo governano, definite dalla norma come fattori di influenza: la portata di prodotto trattato, il titolo del materiale in ingresso, la temperatura esterna, il numero di avviamenti.

La regressione lineare multipla condotta su una serie storica di durata sufficiente restituisce la linea di riferimento rispetto alla quale i risultati verranno misurati, e la qualità di quella regressione, valutata sui residui anziché sul solo coefficiente di determinazione, condiziona l’attendibilità di ogni valutazione successiva. Un modello costruito su una popolazione di dati che non copre l’intero campo operativo dell’impianto perde validità appena le condizioni si spostano oltre il perimetro osservato.

Rendimento di combustione e recupero del calore sui generatori e sui forni di processo

Sui generatori alimentati a combustibile la prima verifica riguarda il tenore di ossigeno nei fumi, che misura l’aria in eccesso rispetto allo stechiometrico e la cui riduzione produce un guadagno immediato senza investimenti sull’apparecchiatura: ogni volume d’aria introdotto oltre il necessario viene riscaldato dalla temperatura ambiente a quella dei fumi e disperso al camino. Il limite inferiore è fissato dalla comparsa di monossido di carbonio, che segnala combustione incompleta, e la regolazione ottimale si colloca poco sopra quella soglia, posizione mantenibile in modo stabile soltanto con un controllo continuo del rapporto aria combustibile corretto sul segnale della sonda.

La temperatura dei fumi al camino costituisce il secondo indicatore, e la regola pratica che associa a ogni venti gradi di riduzione un punto percentuale di rendimento fornisce un ordine di grandezza utile in fase di valutazione preliminare.

Il recupero si realizza con economizzatori sull’acqua di alimento, con preriscaldatori dell’aria comburente o, quando le temperature di ritorno lo consentono, con scambiatori a condensazione che sottraggono il calore latente del vapore d’acqua prodotto dalla combustione. Il vincolo che governa il dimensionamento riguarda la temperatura di parete lato fumi, che deve restare sopra il punto di rugiada acida quando il combustibile contiene zolfo, pena la corrosione dello scambiatore.

Nei circuiti a vapore le perdite si distribuiscono su componenti che nessun bilancio aggregato evidenzia, dalle valvole e flange prive di coibentazione agli scaricatori di condensa bloccati in posizione aperta, la cui incidenza nelle reti prive di manutenzione programmata raggiunge quote a doppia cifra sul parco installato. La verifica periodica con metodo acustico o termografico, condotta su tutta la popolazione e non su un campione, individua le perdite che il consumo complessivo non consente di isolare. Sul medesimo circuito il recupero del calore dallo spurgo di caldaia e la valorizzazione del vapore di rivalutazione prodotto dalla condensa ad alta pressione restituiscono energia già pagata e frequentemente scaricata in atmosfera.

Ottimizzazione dei reattori discontinui: profili termici, inerzia e gestione dei transitori

Nelle lavorazioni a lotti il consumo non dipende soltanto dall’energia richiesta dalla trasformazione chimica, poiché ogni ciclo comporta il riscaldamento della massa metallica del reattore e del fluido contenuto nella camicia, energia che viene poi sottratta nella fase di raffreddamento e dispersa. La riduzione dei tempi morti fra i lotti e l’incatenamento delle cariche senza ritorno a temperatura ambiente producono risparmi che nessun intervento sul generatore replica, perché agiscono sulla quantità di calore richiesta anziché sul rendimento con cui viene fornita.

Il guasto energetico più diffuso su questi impianti riguarda la sovrapposizione fra riscaldamento e raffreddamento, condizione che si verifica quando la regolazione a campo diviso attraversa la zona neutra troppo rapidamente o quando il vapore continua ad alimentare la camicia mentre l’acqua refrigerata è già stata ammessa. La conseguenza è un consumo doppio senza alcun effetto sul processo, e la sua individuazione richiede la registrazione simultanea delle portate dei due fluidi anziché della sola temperatura di massa.

Il controllo in cascata, con l’anello esterno sulla temperatura del contenuto e quello interno sulla temperatura della camicia, riduce le oscillazioni e il conseguente superamento del valore impostato che le regolazioni a singolo anello producono sulle masse con elevata inerzia termica. Nelle reazioni esotermiche il calore sviluppato costituisce una risorsa recuperabile verso altre utenze del ciclo quando il livello termico lo consente, e la sua valutazione parte dal calorimetro di reazione anziché dai valori di letteratura.

Sulle colonne di distillazione associate ai reattori il rapporto di riflusso rappresenta la variabile su cui si concentra il consumo del ribollitore, e il suo mantenimento a valori superiori al necessario per ragioni di cautela operativa costituisce una delle inefficienze più costose e meno visibili degli impianti chimici. La ricompressione meccanica dei vapori, dove la differenza di temperatura fra testa e coda lo rende praticabile, sostituisce il calore fornito dal vapore con lavoro elettrico di compressione, con un rapporto fra energia recuperata ed energia spesa che nelle applicazioni favorevoli supera ampiamente l’unità.

Integrazione termica di processo e accumulo: analisi pinch e disaccoppiamento dei carichi

L’esame dei singoli apparecchi individua le perdite locali e trascura le opportunità che nascono dalla combinazione fra utenze diverse, terreno sul quale opera l’analisi pinch attraverso la costruzione delle curve composite dei flussi caldi e freddi dell’impianto. La sovrapposizione delle due curve, separate dalla differenza minima di temperatura ammessa negli scambiatori, individua il fabbisogno minimo teorico di calore e di raffreddamento esterni, valore che costituisce il traguardo rispetto al quale misurare la configurazione esistente.

Il punto di stringimento delle due curve divide l’impianto in due regioni e detta le regole che governano la progettazione della rete di scambio, fra cui il divieto di trasferire calore attraverso quel punto e quello di collocare utilità di raffreddamento sopra di esso. La violazione di queste condizioni, ricorrente negli impianti cresciuti per aggiunte successive, produce configurazioni in cui una sezione viene raffreddata con torre evaporativa mentre un’altra riceve vapore per raggiungere una temperatura inferiore.

Il dimensionamento degli impianti termici sul carico massimo, che si presenta per una frazione limitata delle ore annue, genera un funzionamento prevalente a carico parziale con rendimenti inferiori a quelli nominali e con cicli di accensione ravvicinati che accelerano l’usura dei componenti.

L’accumulo termico interviene su questa condizione separando il momento della produzione del calore da quello del suo utilizzo, e consente al generatore di operare nell’intorno del punto di massimo rendimento per periodi prolungati anziché inseguire una domanda discontinua. Il beneficio si estende alla riduzione della potenza contrattuale nei siti dove il picco è alimentato elettricamente e all’integrazione di pompe di calore ad alta temperatura o di collettori solari termici, la cui disponibilità non coincide con il profilo di richiesta del processo.

Indicatori di prestazione ISO 50001, misura e verifica del risultato sulle emissioni

La dimostrazione richiesta in sede di certificazione ISO 50001 si fonda sul confronto fra il consumo rilevato e quello che la linea di riferimento prevede nelle medesime condizioni operative, differenza che rappresenta il risparmio conseguito. Le indicazioni per la costruzione degli indicatori e della linea di riferimento sono raccolte nella ISO 50006, mentre la ISO 50015 disciplina i principi di misura e verifica delle prestazioni energetiche dell’organizzazione; il ricorso a un protocollo riconosciuto per la quantificazione dei risparmi conferisce alla valutazione una difendibilità che il confronto fra bollette consecutive non possiede.

La scelta dell’indicatore condiziona ciò che l’organizzazione riesce a governare, poiché un consumo specifico riferito alla tonnellata di prodotto finito aggrega fenomeni eterogenei e nasconde le variazioni di efficienza sotto le oscillazioni del mix produttivo. La costruzione di indicatori distinti per uso significativo, con la portata di vapore per unità di carica trattata sul reattore e il consumo specifico di combustibile per tonnellata di acqua evaporata sull’essiccatoio, restituisce grandezze che il responsabile di reparto riconosce e sulle quali può intervenire.

La normalizzazione va documentata insieme all’indicatore, perché la correzione applicata ai dati costituisce l’elemento che l’ente di certificazione esamina con maggiore attenzione: rettificare il consumo per tenere conto di una variazione della temperatura esterna è legittimo quando la dipendenza è dimostrata statisticamente, e diventa una manipolazione quando serve a giustificare uno scostamento la cui causa risiede altrove. L’analisi delle somme cumulate degli scarti fra consumo osservato e consumo atteso individua il momento in cui una deriva si è manifestata, informazione che il valore medio annuo non contiene.

Sul versante delle emissioni la conversione dei risparmi avviene applicando i fattori di emissione dei vettori interessati, con la distinzione fra quelle dirette prodotte dalla combustione in sito e quelle associate all’energia elettrica acquistata. La sostituzione di calore da combustibile con calore da pompa di calore trasferisce l’emissione dalla prima alla seconda categoria, e il bilancio complessivo dipende dal fattore attribuito alla rete elettrica insieme al rendimento della macchina; per gli impianti soggetti al sistema di scambio delle quote la riduzione dei consumi si traduce in un beneficio economico diretto, che entra nella valutazione dell’investimento accanto al risparmio sul combustibile.