Energia termica industriale: recupero e conversione

Il progetto I-Therm di Synesis ha concepito due tecnologie di recupero del calore per temperature di esercizio comprese tra i 200 e i 1.350 °C e ha sviluppato due tecnologie per la trasformazione del calore in elettricità

L’obiettivo del progetto I-Therm di Synesis, lanciato nel 2015 e nella sua fase conclusiva allo scorso dicembre, era quello di dimostrare tecnologie e processi orientati ad un efficiente e conveniente recupero di calore negli impianti industriali, nel range di temperatura tra 70°C e 1000°C, nonché l’integrazione ottimale di tali tecnologie con sistemi di generazione di energia esistenti o con elettricità generata dal recupero di calore in eccesso.

Il progetto ha ricevuto fondi dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea.

Synesis dunque ha partecipato al progetto con il ruolo di system integrator, focalizzandosi su aspetti relativi al controllo e al monitoraggio dei sistemi sviluppati.

I sistemi di controllo e monitoraggio sono stati sviluppati adottando la tecnologia IEC-61499, uno standard in continua evoluzione che Synesis supporta dalla sua prima comparsa, collaborando con attori della ricerca e dell’industria durante numerosi progetti di ricerca e implementazioni pilota.

A seguito delle severe condizioni di lavoro caratteristiche di questi contesti industriali, e funzionalità di monitoraggio remoto sono considerate un requisito essenziale, in quanto permette l’osservazione continua del comportamento del sistema e la possibilità di intercettare, o talvolta anche di prevedere, possibili anomalie.

Per questo, Synesis ha sviluppato un duplice sistema in grado di monitorare i segnali a livello di driver, memorizzarli in un database locale e pubblicarli su un ulteriore sistema remoto, accessibile attraverso una interfaccia grafica basata su tecnologie web.

Tale disaccoppiamento dei differenti sottosistemi consente di controllare possibili criticità, causate da un lato dalle avversità degli ambienti industriali, dall’altro dalla latenza e possibile indisponibilità della connessione internet.

Tutte e quattro le tecnologie sono coadiuvate dal monitoraggio continuo dei parametri chiave di prestazione e dalla regolazione automatica in tempo reale. Il progetto ha inoltre aggiornato la serie di strumenti Einstein, che permette l’analisi rapida della fattibilità e degli aspetti economici del recupero e dell’utilizzo del calore residuo per l’inclusione delle tecnologie di I-Therm.

L’economizzatore a condensazione con tubi di calore (200-500 °C) del progetto è studiato per aumentare l’efficienza del recupero del calore proveniente da caldaie o altri fumi di combustione. Il dispositivo è in grado di recuperare il 10-25% in più di energia rispetto agli economizzatori senza condensazione ed è particolarmente adatto a scarichi “sporchi” o acidi  presenti nell’industria petrolchimica, cementiera, vetraria, siderurgica e alimentare.

L’industria siderurgica potrebbe trarre enormi vantaggi dal sistema a tubi di calore piatti (Flat Heat Pipe System, FHPS), concepito per recuperare il calore radiante dal raffreddamento di prodotti su un nastro trasportatore a partire da una temperatura di 1.350 °C fino ad arrivare a 300 °C.

Il sistema a ciclo flash trilaterale (Trilateral Flash Cycle, TFC) è adatto alla conversione calore-elettricità da flussi di calore residuo a bassa temperatura (70-200 °C), presenti soprattutto nell’industria petrolchimica, metallurgica, della carta, della pasta di carta e di alimenti e bevande. Il sistema TFC favorisce un maggiore potenziale di recupero del calore e una produzione energetica superiore per unità di calore immessa rispetto ai sistemi tradizionali a ciclo Rankine a fluido organico. Infine, il ciclo di trasformazione calore residuo-elettricità a CO2 supercritica (sCO2) è una tecnologia unica, nonché il primo sistema completo a essere funzionante in Europa. Questa tecnologia interviene sul calore residuo ad alte temperature (400-1.000 °C) nell’industria siderurgica, cementifera, vetraria e petrolchimica. La produzione di energia elettrica delle tecnologie a TFC e a CO2 supercritica ammonta rispettivamente a 100 kilowatt elettrici (kWe) e 50 kWe.

Tre delle quattro tecnologie sono state selezionate dal Radar dell’innovazione della Commissione europea, che individua le soluzioni innovative più promettenti e le menti innovatrici che le hanno create, fornendo loro la consulenza di esperti affinché approdino sul mercato. Il suo obiettivo è quello di “creare un flusso constante di aziende tecnologiche promettenti capaci di trasformarsi nei futuri campioni industriali”. 

Economia circolare: sostenibilità e simbiosi industriale

simbiosi industriale e economia circolare

L’economia circolare rappresenta un modello economico in cui il valore dei materiali viene il più possibile mantenuto o recuperato e dove gli scarti sono ridotti al minimo. E’ stato valutato inoltre che se le industrie europee riuscissero a implementare un sistema produttivo di tipo circolare, si potrebbe realizzare un risparmio complessivo di quasi 500 miliardi di euro l’anno

Sempre più spesso viene individuato come un approccio indispensabile ad ottenere migliori performance in termini di sostenibilità.

A un esame più approfondito, però, dal punto di vista accademico il legame tra economia circolare e sostenibilità rimane ancora sfuggente.

Per questo Cercis (Centro per la ricerca sull’economia circolare, l’innovazione e le Pmi) e il Centro di ricerca interuniversitario Seeds (Sustainability, environmental economics and dynamics studies) hanno organizzando un whorkshop per passare dalla teoria alla pratica.

Il workshop “Making the Circular Economy work for Sustainability: From theory to practice”, ha avuto come partecipanti  studenti, studiosi, professionisti e stakeholder che hanno interesse all’economia circolare.

L’obiettivo è stato quello di stimolare il dibattito sui quei meccanismi che consentono di stabilire un legame effettivo tra economia circolare e sostenibilità, caratterizzandone con più precisione la natura. Si tratta di un dibattito fondamentale per acquisire una conoscenza più approfondita di come i responsabili politici possano utilizzare al meglio l’economia circolare per promuovere la sostenibilità, e verrà esplorato sotto molteplici aspetti.

Durante il workshop è stato presentato il Rapporto di sostenibilità 2020 realizzato dall’Agenzia europea dell’ambiente (Eea), cui hanno contribuito anche i membri di Seeds, per poi proseguire con un ampio ventaglio di tematiche: i dividendi economici, gli impatti ambientali e le ricadute sociali dell’economia circolare, passando dal ruolo di famiglie e imprese in questo contesto all’approccio politico necessario per veicolare la sostenibilità.

Verso un’economia circolare nella UE: la simbiosi industriale

Nell’ambito della strategia Europa 2020, l’UE ritiene che la transizione verso un’economia circolare sia di fondamentale importanza per il raggiungimento di una maggiore efficienza complessiva delle risorse.

Ciò rappresenta uno dei principali volani della competitività delle imprese europee, tenuto conto dell’alta incidenza che le materie prime hanno sui costi complessivi dell’industria manifatturiera; al riguardo si ritiene che, nel vecchio continente, tale incidenza si aggiri mediamente attorno al 40% e che possa raggiungere il 50% se si sommano anche i costi per l’energia e l’acqua.

E’ stato valutato, infatti, che se le industrie europee riuscissero a implementare un sistema produttivo di tipo circolare si potrebbe realizzare un risparmio complessivo di quasi 500 miliardi di euro l’anno, cui si ricollegherebbe una minore necessità di input materiali (riduzione del 17%-24% entro il 2030) e un incremento del Pil della UE prossimo al 4%.

Mentre in un’economia lineare si configura un sistema economico in cui le risorse naturali sono utilizzate come input nei processi di produzione e di consumo, per poi essere reimmesse, in parte, nell’ambiente come rifiuti, in un’economia circolare i processi di produzione e di consumo devono essere in grado di riutilizzare, riparare, riciclare e rimettere a nuovo i materiali e i prodotti esistenti, al fine di limitare al minimo l’utilizzo di nuove risorse naturali.

Sistema Economico Circolare

Per realizzare gli obiettivi proposti per il 2030, bisogna agire da subito per accelerare la transizione verso un’economia circolare e sfruttare le opportunità commerciali e occupazionali che offre”. Nell’ultimo periodo, l’UE ha presentato numerose iniziative per la transizione verso questo nuovo paradigma e, nella sua strategia per passare a un’economia circolare a rifiuti zero, ha individuato diversi strumenti fra i quali vi è quello di favorire l’implementazione di percorsi di simbiosi industriale.
La simbiosi industriale è una branca di un nuovo campo di studi interdisciplinare, denominato, ecologia industriale. Considerata come la scienza della sostenibilità, l’ecologia industriale trova le sue origini nel 1989, anno in cui Frosh e Gallopoulos con l’articolo Strategies for Manufacturing, affermano che “il modello tradizionale di attività industriale – in cui i singoli processi produttivi prelevano materie prime e generano prodotti da vendere più rifiuti da smaltire – deve essere trasformato in un modello più integrato: un ecosistema industriale”.

All’interno dell’ecologia industriale, la simbiosi industriale indaga le relazioni esistenti tra i sistemi industriali e il loro ambiente naturale. In particolare, con il termine simbiosi industriale si identificano gli scambi di risorse tra due o più industrie dissimili, intendendo con risorse non solo quelle materiali (sottoprodotti o rifiuti), ma anche energia termica di scarto, servizi, competenze.

Si tratta cioè di una strategia per la chiusura dei cicli delle risorse e l´ottimizzazione del loro uso all’interno di uno specifico ambito economico territoriale attraverso la collaborazione tra le diverse imprese basata sulle possibilità sinergiche offerte dalla loro prossimità geografica/economica. I principali mezzi con cui si realizza la simbiosi tra imprese sono:

  • la condivisione di utility e infrastrutture per l’utilizzo e la gestione di risorse, come il vapore, l’energia, l’acqua e i reflui;
  • la fornitura congiunta di servizi per soddisfare bisogni accessori comuni alle imprese connessi alla sicurezza, all’igiene, ai trasporti e alla gestione dei rifiuti;
  • l’utilizzo di materiali tradizionalmente intesi come scarti o sottoprodotti in sostituzione di prodotti commerciali o materie prime.

In analogia a quanto avviene negli ecosistemi, attraverso la riduzione dei rifiuti alla fonte e la creazione di legami di chiusura dei cicli, la simbiosi industriale cerca di disegnare un sistema industriale caratterizzato da rapporti di interdipendenza funzionale in cui i prodotti di scarto di una linea di lavoro diventano un prezioso input per le altre linee. In questo modo, si viene a configurare un sistema produttivo circolare, in cui scompare il tradizionale concetto di rifiuto, poiché “i materiali oggetto di scambio… non sono mai rifiuti in nessun momento della loro esistenza, ma sempre beni economici”.