O – LiBr NH 3 O Refrigerante Non presenta alcuna pericolosità Tossico e infiammabile

Assorbente

Non volatile, ma con limitata solubilità e rischio di

cristallizzazione

Volatile: possibilità che contamini il refrigerante

Pressioni di esercizio

Sottovuoto per permettere all’acqua di evaporare a temperature inferiori ai 100 °C

Elevati livelli di pressione

Fluido di raffreddamento

Acqua proveniente da torre di raffreddamento per prevenire la

cristallizzazione

Possibilità di raffreddare sia ad acqua che ad aria

Temperature richieste

al generatore* Tra 75 – 100 °C Tra 100 – 130 °C

Rendimento Tra 0,65 - 0,8 Tra 0,5 – 0,6

Impiego Refrigerare fino a temperature non inferiori ai 5 °C

Possibilità di refrigerare anche sotto gli 0 °C

Ottimizzazione e valutazione energetica

97 Data la natura dello studio trattato si è optato per l’utilizzo di una macchina ad acqua e bromuro di litio a singolo stadio, che ha un’efficienza maggiore e che si integra bene con i livelli di temperatura disponibili. La presenza nello stabilimento di una torre evaporativa garantisce una temperatura di condensazione e assorbimento sufficientemente basse per evitare la cristallizzazione. Il livello di temperatura a cui è richiesta potenza frigorifera è tale da non consentire un problema per l’uso dell’acqua come refrigerante.

Per il dimensionamento della macchina si è partiti dalla stima della potenza frigorifera richiesta per la produzione dell’acqua utilizzata per il raffreddamento del mosto. Dai dati Carlsberg® si è potuto risalire alla quantità di acqua utilizzata nel raffreddamento delle cotte che si attesta intorno ai 56000 kg. Supponendo di dover raffreddare questa quantità di fluido da 15 °C a 12 °C nel periodo di cottura, quando si ha la possibilità di spillare acqua calda al pfaduko, la potenza richiesta è ottenibile dalla seguente relazione:

(7.7) dove rappresenta la massa totale di acqua raffreddata, il calore specifico, il salto di temperatura subito dal fluido e la durata della cotta, che secondo lo standard di produzione equivale ad un’ora. Ne risulta che la macchina da utilizzare deve essere in grado di erogare 197 kW di potenza termica frigorifera. I modelli sul mercato, alimentati ad acqua calda, che sono in grado di coprire tale richiesta presentano valori di COP pari a 0,75. È possibile dunque risalire alla potenza richiesta al generatore sfruttando la definizione di rendimento che lega l’effetto utile alla spesa effettuata per ottenerlo.

(7.8)

Al denominatore dell’equazione (7.8) viene tenuto conto anche del minimo consumo elettrico della macchina ad assorbimento. La potenza necessaria per l’alimentazione della macchina è quindi pari a 260 kW. Le macchine ad assorbimento alimentate ad acqua lavorano con un salto di temperatura del fluido di alimentazione di 10 °C, a partire da questo dato e conoscendo la potenza richiesta al generatore, è possibile calcolare la portata di acqua da spillare al circuito del pfaduko, necessaria al funzionamento della macchina ad assorbimento. Il valore ottenuto è pari a 6,22 kg/s.

Per valutare l’impatto che tale spillamento ha sul quantitativo di vapore sfiatato si è modificato il modello sviluppato. È stato aggiunto un prelievo di portata alla corrente fuoriuscente dal pfaduko e implementata la miscelazione a valle del condensatore tra il flusso di ritorno dalla macchina ad assorbimento e la portata proveniente dall’accumulo. L’asportazione di energia al serbatoio di

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acqua tecnica garantisce, come previsto, una diminuzione drastica della quantità di evaporato non condensato, portando l’efficienza di recupero a valori del 99%, ovvero a un pressoché totale sfruttamento del potenziale dei vapori di cottura.

Per fornire un quadro più significativo della convenienza della soluzione proposta, è stato valutato il risparmio di energia elettrica che ne deriva e la rispettiva monetizzazione, dato che può essere utilizzato come termine di confronto tra differenti opzioni di recupero. Attualmente in Carlsberg® l’acqua per il raffreddamento del mosto è prodotta da un chiller elettrico, non avendo a disposizione i dati relativi alle prestazioni del macchinario reale, si è preso come riferimento un valore di COP del 2,6 che è rappresentativo delle prestazioni delle macchine attualmente in commercio di taglia paria a 200 kW, nelle condizioni di lavoro tipiche. A fronte di un fabbisogno energetico frigorifero di 710 MJ, stimato sulla base del quantitativo di acqua da raffreddare sopra illustrato, si ha quindi un consumo di energia elettrica pari a 273 MJ. La macchina ad assorbimento proposta è stata dimensionata in modo tale da coprire l’intero fabbisogno frigorifero e quindi sostituire totalmente il chiller, ciò nonostante nel bilancio energetico bisogna tener conto dei consumi elettrici aggiuntivi, seppur minimi, legati alla macchina ad assorbimento e alla movimentazione della portata di spillamento. Sottraendo quindi questa spesa aggiuntiva si ottiene un risparmio netto di 261 MJ corrispondenti a un valore di 73 kWh.

Per poter dare un valore economico a tale risparmio si è stimato un possibile prezzo dell’energia elettrica pari a 0,0943 €/kWh; il dato è stato reperito dal sito di Eurostat e si riferisce al prezzo medio nazionale senza tasse applicato nel primo semestre del 2015 alle industrie di media dimensione (consumo annuo compreso tra i 500 e i 2000 MWh) [2s]. Il risparmio ammonta a un valore di 6,84 € per cotta.

In ultima analisi si è voluto verificare se la riduzione di energia accumulata nel serbatoio, conseguentemente allo spillamento, influenzasse in modo significativo la fase di preriscaldamento della cotta successiva. Infatti, riducendo il potenziale dell’accumulo ci si aspetta che le prestazioni del preriscaldamento diminuiscano con un conseguente incremento dell’energia richiesta al vapore per portare il mosto a ebollizione. Con l’ausilio del modello si sono dunque simulate due cotte in successione, sia nel caso di architettura dell’impianto originale, sia con la presenza di spillamento. Come ipotizzato nella versione in cui è integrata la macchina ad assorbimento, la richiesta di energia nella fase di riscaldamento aumenta. L’incremento riscontrato però non ha un peso rilevante sui consumi, in quanto risulta essere pari al 3% che in termini assoluti corrisponde a 39 MJ. Per dare un valore economico anche a questo dato si è stimato un rendimento del generatore di vapore pare a 0,94, relativo al PCI (potere calorifico inferiore), in linea con i rendimenti dichiarati dai produttori del settore [3s], potendo risalire così ad un fabbisogno energetico di gas naturale espresso in MJ pari a 41 MJ. Prendendo come riferimento un prezzo del gas naturale pari a 9,12

Ottimizzazione e valutazione energetica

99 €/GJ, si ha un costo aggiuntivo pari a 0,38 € per cotta. Anche in questo caso il dato è stato reperito dal sito di Eurostat e calcolato con gli stessi criteri adottati per il prezzo dell’elettricità (industria di taglia media con un consumo annuo compreso tra 10000 e i 100000 GJ) [2s]. Tenendo conto di questa spesa aggiuntiva il guadagno netto derivante dall’adozione di una macchina ad assorbimento sarebbe di 6,46 € a cotta; con una media di 500 hl per cotta e una produzione annua di circa 1000000 hl [4s] si avrebbe un risparmio di 12930 €/anno.

Il cambio di tecnologia porterebbe anche ad una riduzione delle emissioni di anidride carbonica legate al consumo di energia elettrica: a fronte di un risparmio di 73 kWh si avrebbe un corrispettivo abbattimento delle emissioni di CO2 pari a 45 kg per cotta. Il fattore di emissione

equivalente, pari a 0,617 kgCO2/kWh, è stato reperito dal database Ecoinvent 3.1 che utilizza il

metodo di calcolo IPCC 2013 [5s].

7.3.2 Pastorizzatore

La pastorizzazione è una delle fasi terminali della filiera di produzione della birra e serve a sterilizzare il prodotto in modo da allungare la durabilità del prodotto, inoltre serve a interrompere le possibili reazioni chimiche ancora in atto che cambierebbero le caratteristiche della birra. Esistono diverse tecnologie di pastorizzazione, come già descritto nel Capitolo1, lo stabilimento Carlsberg®, come gran parte dei birrifici, utilizza la pastorizzazione a tunnel.

Nei tunnel di pastorizzazione la birra, precedentemente confezionata, viene riscaldata gradualmente da una spray d’acqua a partire da una temperatura di circa 5 °C fino ad un valore di 65 °C [8]. Una volta superata la zona a più elevata temperatura la birra viene raffreddata con una doccia di acqua fredda. L’acqua utilizzata per questo processo viene continuamente ricircolata dalla zona di riscaldamento a quella di raffreddamento producendo un notevole recupero di calore. Idealmente un pastorizzatore a regime potrebbe avere un fabbisogno energetico pressoché nullo se il prodotto in uscita avesse la stessa temperatura di quello in ingresso. Nella realtà ciò non si verifica a causa di perdite termiche e della necessità di non avere condensa sulle bottiglie al momento dell’etichettatura. Quindi, le bottiglie escono dal pastorizzatore a circa 30 °C, più calde rispetto all’ingresso. Questo porta le migliori efficienze di recupero raggiungibili su valori dell’ordine del 80% [8]. La richiesta energetica dei pastorizzatori non risulta perciò nulla; basandosi sui dati forniti dalle BAT (Best Available Technology) il consumo energetico per litro di prodotto pastorizzato è pari a 0,14 MJ/l [8].

Nello stabilimento Carlsberg® l’energia richiesta dal processo viene fornita esternamente da un flusso di vapore che, tramite uno scambiatore, riscalda l’acqua nella zona centrale del

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pastorizzatore, quella che presenta il più alto livello di temperatura. La soluzione proposta prevede di affiancare allo scambiatore già presente uno scambiatore alimentato con l’acqua spillata dal pfaduko, in modo da ridurre i consumi di vapore.

L’analisi parte dalla scelta del salto di temperature che l’acqua spillata subisce a cavallo dello scambiatore di calore. Per motivi legati allo scambio termico e al dimensionamento dello scambiatore di calore si è optato per un ΔT di 25 °C che corrisponde ad una temperatura di alimentazione pari a 97 °C e una temperatura di ritorno di 72 °C. L’acqua in ingresso allo scambiatore è stata posta a 97 °C e non 99 °C (set point di funzionamento del pfaduko), perché trovandosi in due edifici differenti, si è ipotizzata una perdita pari a 2 °C nel tragitto che collega il condensatore a fascio tubiero al pastorizzatore. Per la stessa motivazione l’acqua di ritorno viene considerata ad una ad una temperatura di 70 °C e non di 72 °C.

Per avere una prima stima del valore di portata da spillare è stato ritenuto necessario stimare la potenza richiesta dal pastorizzatore.

Non avendo a disposizione i dati relativi al pastorizzatore utilizzato nello stabilimento Carlsberg®

per stimare i consumi si è ipotizzato di utilizzare una macchina che tratti 120000 bottiglie da 0,33 l in un’ora, taglia standard per birrifici industriali, coerente con la taglia dell’impianto produttivo considerato.

La potenza richiesta per la pastorizzazione è stata calcolata come segue, facendo riferimento ai dati di letteratura.

(7.9) Nell’equazione (7.9) i termini rappresentano:

- il numero di bottiglie pastorizzate; - i litri di birra contenuti in ogni bottiglia;

- q il consumo energetico specifico al litro espresso in MJ/l;

- t il tempo necessario al trattamento del numero di bottiglie stabilito.

Sostituendo i valori numerici sopra specificati si ottiene una potenza pari a 1551 kW.

La portata necessaria a coprire totalmente la richiesta del pastorizzatore risulta troppo elevata e comporterebbe una compromissione del meccanismo di accumulo sfruttato nella fase di preriscaldamento. Per tale motivo l’entità di acqua spillata al pfaduko è stata decretata in modo da minimizzare la quantità di vapore sfiatato, ma allo stesso tempo compromettere il meno possibile la dinamica di carica del serbatoio di acqua tecnica. Come nel caso del chiller si è sfruttato il modello per simulare gli effetti dello spillamento. Il minimo valore di portata che annulla la presenza di

Ottimizzazione e valutazione energetica

101 vapore sfiatato risulta essere pari a 3,19 kg/s. Con il risultato ottenuto la potenza cedibile al pastorizzatore a fronte di un ΔT di 25 °C è di 334 kW in grado ci soddisfare circa il 20% del carico richiesto, corrispondente ad un risparmio di 1278 MJ (355 kWh) di gas naturale (rendimento del generatore di vapore 0,94) ad ogni ciclo di cottura.

A livello economico il risparmio ammonterebbe a 11,66 € per cotta. Per una corretta valutazione del risparmio si deve tenere conto del consumo di energia elettrica aggiuntivo per la movimentazione dell’acqua spillata e dell’influenza che tale spillamento ha sull’accumulo di acqua tecnica, che si traduce come precedentemente esposto, in un aumento dell’energia richiesta alla caldaia nel ciclo di cottura successivo. Ciò nonostante, se la portata prelevata per la pastorizzazione è calibrata in modo corretto, il peso di questi consumi aggiuntivi è nullo.

In conclusione, considerando gli stessi dati di produzione utilizzati nella valutazione della macchina ad assorbimento, il risparmio annuo derivante da questa soluzione ammonterebbe a 23320 €/anno. Per questa soluzione il quantitativo di CO2 non prodotta ammanterebbe a 94 kg.Il

coefficiente di emissioni equivalenti utilizzato è pari a 0,264 kgCO2/kWh [5s].

7.3.3 Confronto tra le alternative di recupero

Il confronto tra le due soluzioni proposte porterebbe ad optare per lo spillamento a supporto del pastorizzatore, che garantisce un risparmio annuo circa doppio rispetto all’adozione di una macchina ad assorbimento per la produzione di acqua fredda. Anche i costi di investimento, seppur non valutati nel dettaglio, farebbero propendere verso lo scambiatore di calore, che solitamente risulta meno costoso di qualsiasi macchina più complessa. In fine l’integrazione con l’impianto già presente risulterebbe meno complicata nel caso dello scambiatore, in quanto la macchina ad assorbimento, oltre a dover interagire con il circuito del pfaduko, prevedrebbe un collegamento con le torri di raffreddamento dello stabilimento per lo smaltimento di calore richiesto all’assorbitore e al condensatore. Ciò nonostante è da sottolineare che l’analisi è stata svolta basandosi su dati riferiti alle migliori tecnologie sul mercato e non ai reali macchinari presenti in Carlsberg®, in particolare chiller e pastorizzatore.

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Conclusioni

Lo studio presentato ha prodotto un modello matematico che, seppur non accurato in tutte le sue parti, può essere ritenuto una buona base di partenza per l’elaborazione di uno strumento d’analisi in grado di prevedere i consumi energetici dello stabilimento preso in oggetto e fornire dati interessanti, difficilmente ricavabili con strumenti di misura convenzionali. Inoltre, la possibilità di integrazione di nuovi componenti, con relativa semplicità, lo rende anche un ottimo strumento di previsione di funzionamento per simulare possibili modifiche di impianto e valutarne i benefici a livello energetico.

Con l’ausilio della simulazione si è infatti potuto stimare un potenziale energetico non sfruttato e valutare i benefici prodotti dall’integrazione di nuove tecnologie a supporto di quelle tradizionali. In particolare, l’introduzione di una macchina ad assorbimento, per la produzione di energia frigorifera per il raffreddamento del mosto, comporterebbe un possibile risparmio di 73 kWh per cotta con una conseguente possibile riduzione dei costi di produzione di 6,46 €. In alternativa, se il potenziale energetico altrimenti non sfruttato venisse impiegato per la produzione di energia termica come effetto utile nel pastorizzatore, invece il risparmio ammonterebbe a 1278 MJ di gas naturale corrispondenti ad una riduzione di costi di produzione di 11,66 € per cotta.

Pur consci del fatto che il modello è ancora lontano dal rappresentare la realtà del processo con un grado di precisione elevato, si ritiene che i risultati ottenuti diano comunque una valida indicazione sulle possibilità di intervento.

L’analisi ha portato alla luce anche l’importanza di un buon sistema di monitoraggio che permetta di avere una costante visione dello stato di funzionamento dell’impianto e metta in evidenza eventuali malfunzionamenti che, se trascurati, possono arrivare ad incidere anche in modo rilevante sulle prestazioni del sistema.

L’importanza di una buona campagna di acquisizione dati si è rilevata di fondamentale importanza anche per la fase di validazione del modello. Una corretta e approfondita pianificazione del monitoraggio, soprattutto se svolta sul campo e non in laboratorio, risulta necessaria per cercare di limitare il più possibile gli inevitabili imprevisti e rischiare di dover scartare intere sessioni di dati. A fronte di quanto esposto si ritiene che per migliorare l’attendibilità del modello sviluppato sia necessaria un’ulteriore e più approfondita raccolta dati, incentrata principalmente sul condensatore dei vapori, allo scopo di rilevare grandezze, come pressioni di esercizio e quantità di condensa, utili a definire le reali condizioni di lavoro. Una più precisa stima del potenziale energetico sfruttabile dovrà essere seguita da un’analisi di fattibilità economica che consideri i reali costi di investimento

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e di esercizio che lo stabilimento Carlsberg® è disposto a sostenere, così da fornire una concreta dimostrazione della fattibilità e convenienza delle soluzioni di recupero energetico proposte. Infine si ritiene che, applicando doverosi accorgimenti e modifiche, lo studio proposto, potrebbe essere esteso ad altri birrifici, in quanto lo stabilimento presso il comune di Induno Olona rappresenta un caso standard di sito industriale adibito a birrificio nel panorama Carlsberg®.

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Nomenclatura