LE PERDITE DI ENERGIA TERMICA
L’energia termica è necessaria per numerosi processi industriali. Molto spesso, però, una parte di questa energia viene persa a valle degli stessi processi senza essere recuperata: sono i cosiddetti cascami termici (in inglese, waste heat). Esempi di cascami termici sono i gas di scarico caldi di un motore a combustione interna o di una turbina a gas (vedi Cogenerazione), vapore, aria calda o fumi in uscita da un forno, l’aria o l’acqua di raffreddamento di un materiale o prodotto ottenuto mediante cottura o riscaldamento (es. cemento, laterizi, vetro, prodotti chimici, alimenti…).
L’energia termica si può trovare quindi sotto forma di aria, acqua, oli e, in generale, fluidi allo stato liquido o di vapore a diverse temperature. Proprio la temperatura a cui si trova il fluido mostra la qualità e la quantità recuperabile di questa forma di energia. Più il fluido si trova a una temperatura prossima a quella ambientale, più sarà complesso e minimo il recupero di energia (esistono anche sistemi per il recupero di calore da fluidi a temperatura inferiore a quella ambiente, come le pompe di calore, ma in questa scheda non saranno trattate).
CLASSIFICAZIONE DEI CASCAMI TERMICI
Possiamo classificare la qualità dei cascami termici in tre categorie: ad alta temperatura (> 625°C); a media temperatura (225-625°C) e a bassa temperatura (25-225°C). I cascami termici a medio-alta temperatura sono una forma nobile di energia che può essere impiegata direttamente in altri processi o in impianti di cogenerazione (vedi Cogenerazione) per produrre energia elettrica e calore a bassa temperatura. Vi sono anche le caldaie recuperative, che riscaldano acqua o generano vapore da fumi di scarico a temperature superiori ai 300-400°C. Il calore a bassa temperatura, invece, solitamente disponibile come aria o acqua calda proveniente dal raffreddamento di prodotti o macchinari, può comunque essere impiegato per produrre acqua calda o per pre-riscaldare acqua diretta ad un successivo riscaldamento mediante caldaia o generatore di vapore. Quest’ultima alternativa contribuisce comunque a recuperare calore che sarebbe stato necessario fornire mediante l’impiego, ad esempio, di combustibili. Nei sistemi di recupero termico è inoltre necessario un sistema di dissipazione di emergenza per far fronte a malfunzionamenti del circuito di recupero.
COME EFFETTUARE RECUPERI TERMICI
L’elemento base per effettuare i recuperi termici è lo scambiatore di calore (in inglese, heat exchanger) a superficie. È un’apparecchiatura in grado di trasferire il calore posseduto da un fluido caldo ad uno avente una temperatura inferiore. Il fluido caldo può rimanere sempre nello stesso stato (es aria, acqua sotto forma di vapore o liquido) oppure può condensare per effetto dello scambio termico. Analogamente, il fluido freddo può rimanere nello stesso stato o evaporare. L’elemento che maggiormente li caratterizza è certamente la superficie di scambio termico, ossia la quantità di superficie che separa i due fluidi, che può essere aumentata mediante alette o altri tipi di appendici al fine di massimizzare lo scambio di energia. La direzione ed il verso con cui i due fluidi si incontrano per scambiarsi calore è una possibile fonte di classificazione di queste apparecchiature: in equicorrente, in controcorrente, a flusso incrociato. Dal punto di vista costruttivo, esistono numerosi tipi di scambiatore di calore: tra i più diffusi vi sono gli scambiatori a tubi concentrici (o a doppio tubo), a fascio tubiero, a piastre, a tubi o pacchi alettati.
Molta attenzione deve essere rivolta alla manutenzione, che deve riguardare la pulizia delle superfici al fine di mantenere il massimo scambio termico: è bene quindi evitare la formazione di incrostazioni calcaree (tipiche di acqua dura o non debitamente addolcita), polvere o altri depositi solidi. Gli scambiatori sono anche alla base di alcune applicazioni particolari di recupero termico.
Un esempio sono i recuperi di calore sotto forma di aria o acqua calda dai compressori anche a temperature superiori ai 60-70°C (vedi scheda). Una tecnologia che sta sempre più facendosi strada è il recupero di energia termica ed elettrica da cascami a media temperatura mediante ciclo Rankine organico (ORC, Organic Rankine Cycle). È basato su una turbina che sfrutta il riscaldamento di un fluido diatermico ad alto peso molecolare, come particolari oli. I rendimenti elettrici possono raggiungere oltre il 20%, mentre la restante energia è quasi tutta disponibile come cascami termici a bassa temperatura, ancora riutilizzabili all’interno del ciclo di produzione. L’applicazione delle turbine ORC interessa diversi settori industriali energivori quali il siderurgico, le fonderie, il cementiero, il chimico e petrolchimico, il farmaceutico, il cartario, l’alimentare e il vetrario. Si stima che il recupero mediante turbine ORC possa portare ad una riduzione nei consumi elettrici del 12% nei cementifici, del 7-10% nelle vetrerie del 4% nelle acciaierie (fonte: OIR, 2012). Numerose installazioni di turbine ORC sono presenti anche nel nostro paese.
Ritornando al vero e proprio recupero termico, prima di investire in queste tecnologie è necessario valutare se nel proprio processo produttivo vi è domanda di energia termica ad una temperatura compatibile con il recupero (ferma restando la possibilità del pre-riscaldamento) e se la curva di domanda coincide con la curva di produzione (si ricorda che l’immagazzinamento di energia termica non è molto efficiente e che tale efficienza diminuisce all’aumentare della temperatura del fluido stoccato). Inoltre, nel processo di recupero termico a medie-alte temperature si deve tenere conto dell’aggressività del fluido (es. presenza di gas o liquidi corrosivi talvolta dovuti alla condensazione), che può rendere complesso dal punto di vista tecnologico e oneroso dal punto di vista economico il processo di recupero. Comunque sia, il classico recupero termico ha tempi di ritorno dell’investimento anche inferiori ai tre anni.
ANALISI DEI DATI
Di seguito sono riportati i dati emersi dall’analisi di un campione di 125 siti produttivi (scopri di più sull’analisi). Gli interventi sui recuperi termici includono:
- Recuperi termici sui fumi
- Recuperi termici sugli scarichi
- Recuperi termici di processo
Gli interventi sui recuperi termici sono stati proposti in 24 casi. Nella tabella viene indicata, per ciascun settore merceologico, la frequenza con cui sono stati suggeriti questi interventi:
Il valore medio del tempo di pay back semplice degli interventi sui recuperi termici, ponderato sul campione, è pari a 1,6 anni. Di seguito il tempo di pay-back distinto per comparto.
Infine riportiamo i dati sul risparmio economico potenziale.
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