4. La distribuzione dei consumi per aree energetiche
4.5 Caso di studio 2: stabilimento 2
4.5.1 Analisi energetica
4.5.1.1 Descrizione generale dello stabilimento
Lo stabilimento 2 è un sito integrato (cartiera e converting), appartenente al Gruppo Sofidel. Attualmente conta due macchine continue, denominate PM1 e PM2, le quali producono bobine di carta, che verranno spedite per la maggior parte al converting annesso ed in una minima quota agli altri converting del Gruppo. I prodotti finiti principalmente realizzati appartengono alla categoria dei private label, infatti la produzione del sito si divide tendenzialmente in: asciugatutto, carta igienica e fazzoletti, in quote proporzionali in base alle esigenze annuali del mercato di riferimento. La produzione interna di energia è affidata ad una caldaia a gas ed una caldaia a biomassa. Nelle seguenti indicazioni sui consumi suddivisi per dipartimento, l’energia utilizzata dagli uffici (amministrazione) sarà attribuita ai servizi generali del converting.
Lo schema risultante dei dipartimenti della cartiera è, quindi, il seguente:
Dipartimenti Cartiera
Attività principali Preparazione impasti macchina 1 Preparazione impasti macchina 2 Macchina continua 1
Macchina continua 2 Ribobinatrice 1 Ribobinatrice 2
73 Servizi Ausiliari Caldaia Impianto a biomassa Compressori Trattamento acque Servizi generali Condizionamento Illuminazione Riscaldamento Logistica
Dipartimenti converting
Attività principali Linee produttive Servizi Ausiliari Compressori Pompe a vuoto Aspirazione rifili Aspirazione polveri Servizi generali Condizionamento Illuminazione Riscaldamento Amministrazione LogisticaTabella 7: Dipartimenti stabilimento 2
4.5.1.2 Energia elettrica: schema e misuratori installati
Allo stesso modo di come è stato descritto nel caso di studio 1, verranno illustrati lo schema elettrico generale e le utenze sotto i trasformatori più significativi. L’analisi si concentrerà su una porzione di schema elettrico con utenze che rimandano al consumo delle due aree energetiche più importanti: la preparazione impasti e la macchina continua, tralasciando il dettaglio dello schema delle utenze elettriche di tutti i dipartimenti, che appesantirebbe solamente la trattazione.
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Figura 18: Schema elettrico generale stabilimento 2
Come si può notare dalla figura 18, i trasformatori per l’alimentazione della PM1 sono 10, mentre quelli per la PM2 sono 7. Data l’elevata complessità dello schema elettrico del sito, è stato deciso di tralasciare il dettaglio dello schema di alimentazione del converting, il quale non è necessario dal punto di vista della descrizione della metodologia utilizzata ed allungherebbe inutilmente questa descrizione. A titolo di esempio, per illustrare come è stato effettuato il calcolo del consumo delle aree energetiche, si riporta l’analisi delle utenze sotto al trasformatore S26.
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Figura 19: Utenze del trasformatore S26 stabilimento 2
Per quanto riguarda questo trasformatore, come si può vedere dalla figura 19, sono stati installati tre misuratori, denominati mis S26.1, S26.2 ed S26.3, che riescono a misurare il consumo di tutte le utenze riconducibili al dipartimento preparazione impasti per la macchina 2; mentre a monte del trasformatore è stato installato il mis S26. In questo modo, attraverso la differenza tra i valori registrati dai suddetti misuratori ed il valore registrato a monte dal mis S26, si può risalire al consumo elettrico del dipartimento macchina continua 2 in capo al trasformatore S26. A titolo d’esempio si riporta l’impostazione delle formule con cui si ottengono i consumi dei dipartimenti preparazione impasti e macchina continua:
76 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐸𝐸 𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑎 = 𝑚𝑖𝑠 𝑆26 − (𝑚𝑖𝑠 𝑆26.1 + 𝑚𝑖𝑠 𝑆26.2 + 𝑚𝑖𝑠 𝑆26.3) +. .. Come descritto anche nel caso di studio 1, questo processo va ripetuto per tutte le linee elettriche dei trasformatori presenti nello schema dello stabilimento 2.
4.5.1.3 Energia termica: schema e misuratori di gas naturale installati
Per l’analisi del consumo di energia termica, come eseguito anche nel caso di studio 1, verrà preso come esempio il flusso di gas naturale.
Figura 20: Schema gas naturale stabilimento 2
Nello stabilimento 2 sono presenti due caldaie a gas, ognuna delle quali ha installato un misuratore dedicato (mis 1 e mis 2 in figura 20). Nessun misuratore, invece, è presente per il monitoraggio del consumo delle cappe delle due macchine continue. La stima di tali consumi verrà calcolata, quindi, tramite una percentuale rappresentante il peso percentuale del dipartimento stesso all’interno dello schema energetico, moltiplicata per il valore registrato dal contatore generale al netto di quelli registrati dai contatori interni delle caldaie. Lo stesso procedimento verrà eseguito per i dipartimenti rappresentanti il riscaldamento della cartiera e quello del converting. L’impostazione del calcolo del consumo di gas naturale dello stabilimento 2, quindi, è la seguente:
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐺𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑎 𝑃𝑀1 = 45,99% ∗ (𝑚𝑖𝑠 𝐺𝐸𝑁 − 𝑚𝑖𝑠 1 − 𝑚𝑖𝑠 2) 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐺𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑎 𝑃𝑀2 = 53% ∗ (𝑚𝑖𝑠 𝐺𝐸𝑁 − 𝑚𝑖𝑠 1 − 𝑚𝑖𝑠 2)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐺𝑎𝑠 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑚𝑖𝑠 1 + 𝑚𝑖𝑠 2
77 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐺𝑎𝑠 𝑟𝑖𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑛𝑔 = 0,62% ∗ (𝑚𝑖𝑠 𝐺𝐸𝑁 − 𝑚𝑖𝑠 1 − 𝑚𝑖𝑠 2) Come ricordato nel caso di studio 1, i valori registrati dai misuratori si considerano già in kWh. Il consumo di gas dell’intero stabilimento è quindi ripartito in dipartimenti grazie alle formule appena descritte.
4.5.2 Impostazione delle formule di calcolo del consumo dei dipartimenti
Il successivo passaggio è quello di scrittura sul sistema delle formule appena elaborate, in linguaggio software. Come esempio si riportano di seguito le formule del consumo di energia elettrica e di gas naturale di tutti i dipartimenti dello stabilimento 2:
78 Come descritto anche nel caso di studio 1, il sistema EMS registra i consumi mensili riportati dai misuratori interni assegnando un ID a ciascun misuratore, il quale diventa uno degli input da utilizzare per effettuare il calcolo, come si vede dalla figura 21. Per i dipartimenti cui non era stato installato un misuratore dedicato, il consumo è stato calcolato tramite stime percentuali del valore registrato dal misuratore sul trasformatore specifico di quelle utenze, come illustrato anche nel caso di studio 1. Il consumo di ogni dipartimento, anche in questo caso di studio, viene fatto riquadrare sul consumo della fattura, per avere un valore più in linea coi costi dell’energia. Una volta che sono state impostate su EMS tali formule, il software è in grado di calcolare mensilmente tutti i consumi di energia elettrica e gas naturale ripartiti per aree energetiche. Una volta inseriti dagli operatori i dati mensili registrati dai misuratori, è possibile scaricare il report dal sistema, in modo da poter effettuare un’analisi precisa della performance energetica. Come illustrato anche nel precedente caso di studio, per le altre fonti energetiche utilizzate dallo stabilimento, come il consumo di vapore, questo processo di inserimento formule sul software non è stato eseguito, perché il consumo totale viene inserito mensilmente come input, senza l’ausilio di nuovi misuratori interni dedicati e non necessita, quindi, del calcolo di nessuna formula da parte del sistema.
4.5.3 Analisi delle opportunità di miglioramento
4.5.3.1 Analisi dei punti critici identificati nel report
Il report finale dei mesi da gennaio a giugno dell’anno 2018 per lo stabilimento 2 è riportato nell’Appendice 2.
Rispetto al caso di studio 1, l’approvvigionamento energetico dello stabilimento 2 differisce per le seguenti modalità di reperimento dell’energia: l’energia elettrica è completamente acquistata dalla rete, vi è un impianto a biomassa per la produzione di vapore, il gas è utilizzato esclusivamente per la caldaia, le cappe delle due macchine continue ed in minima parte per i riscaldamenti di cartiera e converting. Lo schema del flusso energetico è rappresentato nella pagina iniziale del report. Inoltre è possibile riscontrare che, nel periodo di tempo considerato, vengono utilizzati nel processo produttivo 61.268 MWh di energia elettrica, 44.855 MWh di vapore, 83.490 MWh di gas (di cui 60.872 MWh per le cappe delle macchine) e 34.013 MWh di biomassa. Nel report in appendice si possono anche verificare i consumi suddivisi per dipartimento nella sezione “Detail” ed altri grafici indicativi dell’andamento nel tempo delle variabili energetiche principali (tra cui il rendimento mensile degli impianti di produzione dell’energia). La caldaia e l’impianto a biomassa hanno un rendimento termico medio dell’87% e dell’81% rispettivamente, come si nota dalla pagina iniziale del report.
Lo schema riassuntivo delle modalità di approvvigionamento energetico dello stabilimento 2 è rappresentato nella figura seguente:
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Figura 22: Schema delle modalità di approvvigionamento energetico dello stabilimento 2
4.5.3.2 Analisi delle variabili di costo
Come è stato eseguito anche nel caso di studio 1, si va a definire il costo totale di approvvigionamento dell’energia per lo stabilimento 2:
𝐶𝑡𝑜𝑡 = 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜𝑡∗ 𝐶𝑔𝑎𝑠+ 𝐸𝐸𝑟𝑒𝑡𝑒∗ 𝐶𝐸+ 𝐵𝑖𝑜 ∗ 𝐶𝑏𝑖𝑜
In cui Gastot, EErete e Bio sono rispettivamente il gas naturale, l’energia elettrica acquistate
dalla rete e la biomassa approvvigionata, mentre Cgas, CE e Cbio sono rispettivamente il costo
del gas, dell’energia elettrica e della biomassa. In questa analisi, la quota relativa all’energia prodotta dall’impianto a biomassa è stato scelto di mantenerla fissa per le seguenti cause: è un’energia che proviene da una fonte rinnovabile ed è collegata ad una serie di incentivi e certificazioni ambientali. A questo punto, il fabbisogno di vapore dello stabilimento 2 al netto della porzione prodotta dall’impianto a biomassa diventa: 17.231 MWh (44855 MWh – 27624 MWh). Il Gastot consumato attualmente dallo stabilimento è, come nel caso di studio
precedente, valutato al netto del fabbisogno delle cappe delle macchine continue, che è considerata come una parte fissa del processo produttivo. In definitiva, si considera il Gastot
dello stabilimento 2 come solo quello consumato nella caldaia (Gascald). Quest’ultimo valore
si ottiene considerando il vapore prodotto dall’impianto ed il rendimento medio annuale (come descritto nel caso di studio 1 vi è una lieve discrepanza con il dato di consumo effettivo riportato nell’area “Detail” del report). I costi dell’energia elettrica e del gas per lo stabilimento 2 sono rispettivamente: 60 €/MWh e 25 €/MWh. [5] L’equazione di costo, quindi, diventa:
GAS
CaldFabbisogno
stabilimento 2
Energia
elettrica
Caldaia
Impianto
biomassa
Vapore
44.855 MWhGas
cappe
60.872 MWhRete gas
naturale
61.268 MWh η=87% η=81%Biomassa
Rete
elettrica
61.268 MWh80 𝐶𝑡𝑜𝑡1= 𝐺𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑∗ 𝐶𝑔𝑎𝑠+ 𝐸𝐸𝑟𝑒𝑡𝑒∗ 𝐶𝐸 = 4.171.224 €
A questo punto si può analizzare se potrebbe portare benefici, in termini di costo di approvvigionamento dell’energia, l’introduzione di un impianto di cogenerazione, che vada a diminuire il gas consumato dalla caldaia e l’energia elettrica acquistata dalla rete (sempre considerando il fabbisogno dello stabilimento 2 al netto del vapore prodotto dall’impianto a biomassa e del gas consumato dalle cappe della macchina). Considerando un CHP con un rendimento elettrico standard del 40% ed un rendimento termico standard del 25%, le equazioni che portano alla definizione della nuova equazione di costo (Ctot2) sono:
𝐶𝑡𝑜𝑡2= (𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃+ 𝐺𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑) ∗ 𝐶𝑔𝑎𝑠+ 𝐸𝐸𝑟𝑒𝑡𝑒∗ 𝐶𝐸
𝐸𝐸 = 61.268 = 𝐸𝐸𝑟𝑒𝑡𝑒+ 𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃∗ 0,4
𝑉𝑎𝑝 = 17.231 = 𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃∗ 0,25 + 𝐺𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑∗ 0,87
Sostituendo nella prima equazione, il Ctot2 diventa:
𝐶𝑡𝑜𝑡2= (𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃+
17.231 − 𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃∗ 0,25
0,87 ) ∗ 𝐶𝑔𝑎𝑠+ (61.268 − 𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃∗ 0,4) ∗ 𝐶𝐸 Dopo alcuni passaggi, la funzione finale risulta:
𝐶𝑡𝑜𝑡2= −6,18 ∗ 𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃+ 4.171.224
Da cui notiamo che:
𝐶𝑡𝑜𝑡2≤ 𝐶𝑡𝑜𝑡1, ∀𝐺𝑎𝑠𝐶𝐻𝑃≥ 0
Ipotizzando un impianto cogenerativo analogo a quello dello stabilimento 1, possiamo inserire il medesimo vincolo di utilizzo massimo con un fattore del 95%, il quale corrisponde ad una quota di gas consumata nel CHP di 32.747 MWh. Le curve di costo in funzione del gas consumato nel cogeneratore sono rappresentate in figura 23:
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Figura 23: Funzioni di costo stabilimento 2
Il risparmio che si ottiene, quindi, con l’inserimento del cogeneratore a regime ammonta a 202.376 € ogni sei mesi, a fronte di un fattore di utilizzo del 95%, come si può notare dalle funzioni rappresentate in figura 23.
4.5.3.3 Descrizione delle opportunità di miglioramento
Per quanto riguarda l’installazione di un impianto cogenerativo, bisogna osservare che per valutare un investimento di tale portata si rende necessario, inoltre, considerare anche i costi di: acquisto, installazione e manutenzione, oltre che i benefici monetari e non, che non sono stati presi in esame in questo lavoro. Tra questi possono essere considerati ad esempio: gli incentivi collegati all’introduzione di un impianto di questo tipo, la diminuzione dell’emissione di sostanze inquinanti e la conseguente riduzione dell’impatto ambientale. Da un punto di vista di approvvigionamento energetico, comunque, i vantaggi dell’installazione del CHP quantificati nel precedente paragrafo sono validi.
Ulteriori opportunità che garantirebbero un incremento dell’efficienza energetica in ottica di miglioramento continuo possono essere [5]:
Biomassa: sostituzione delle cinghie dell’impianto esistenti con un modello più efficiente (dipartimento impianto a biomassa).
Energia elettrica: arresto di alcuni depastigliatori ridondanti (dipartimenti preparazione impasti PM1 e PM2), sostituzione delle valvole di spurgo dei serbatoi di aria compressa con nuove di tipo automatico (dipartimento compressori cartiera), sostituzione di un compressore da 110 kW con un modello più piccolo ed efficiente (dipartimento condizionamento aria converting).
3000 3300 3600 3900 4200 4500 4800 0 10000 20000 30000 40000 Ctot [k € ] GasCHP[MWh] 95% Ctot1 Ctot2
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