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Comunicare l'energia

1 Ottobre 2012

Gli ingredienti dell’efficienza energetica nel settore industriale

(Amory B. Lovins)

Tratto da "Reinventare il fuoco. Soluzioni vincenti per il business della nuova era energetica" di Amory B. Lovins (Edizioni Ambiente 2012)

Cosa si nasconde dietro l’apparente magia dell’efficienza energetica conquistata da Dow, 3M e altri giganti dell’industria? Efficientare la miriade di processi e prodotti industriali dovrebbe diventare il mantra dei dirigenti e dei responsabili che si occupano della progettazione e del settore operativo, nonché degli investitori che detengono le azioni. La ricetta è questa: innanzitutto, ridurre l’energia necessaria all’esecuzione dei processi strategici; quindi ridurre gli sprechi nei sistemi che distribuiscono i servizi energetici ai singoli impianti; in terzo luogo, migliorare l’efficienza dei dispositivi quali caldaie e motori, che trasformano l’energia in servizi utili; infine, recuperare l’energia che adesso va sprecata.

Il primo ingrediente: ridurre l’energia necessaria all’esecuzione dei processi strategici

Una delle principali difficoltà nella produzione di sostanze chimiche e farmaci è data dall’estrema complessità di molte reazioni. Se i reagenti non sono combinati alla perfezione, o se pressione, temperatura o tempistiche sono sfasate anche di poco, si scateneranno reazioni diverse da quelle previste che daranno vita a prodotti secondari indesiderati. Ecco perché alcuni dei più raffinati processi chimici producono soltanto tra il 2 e il 20% della sostanza desiderata, e perché la resa presso gli impianti farmaceutici può essere addirittura dell’1%. Per separare i prodotti puri utili dalle scorie vengono investite grandi quantità di energia e capitale. Esistono tuttavia microreattori modulari, delle dimensioni di una carta di credito, che consentono di controllare con estrema precisione le condizioni in cui si svolgono le reazioni, ottenendo in modo più rapido ed economico materiali di purezza superiore, in maggior sicurezza e con consumi di energia (e sprechi) estremamente ridotti. Disponendoli in sequenza in centinaia o migliaia di moduli, si ha una chimica di precisione che può eliminare la necessità di effettuare i successivi stadi di separazione. Oggi sono possibili conversioni chimiche multifase, senza recupero intermedio, come nelle cellule viventi, che “riducono drasticamente i costi e i tempi operativi nonché il consumo di sostanze chimiche ausiliarie e di energia”. Anche le olefine, la sostanza chimica prodotta in maggiori quantità, possono essere ottenute in maniera economica mediante i microreattori. Infine, anche i reattori e i distillatori distribuiti e prodotti in serie possono essere più economici e più efficienti di quelli centralizzati; si tratta di versioni di piccole dimensioni di dispositivi normalmente più grandi.

La distillazione, che utilizza il 3% di tutta l’energia degli Stati Uniti per raffinare il petrolio e le sostanze chimiche, in molti casi può essere sostituita da membrane che lasciano passare solo determinate molecole. Dovunque la distillazione sia necessaria, potrà essere migliorata. In alcuni casi, le molecole di prodotto lavorate in una raffineria vengono portate a ebollizione e ricondensate dalle 15 alle 20 volte. Perché così tante? La maggior parte degli operatori non controlla costantemente la qualità del prodotto, ma periodicamente, e negli intervalli tra le misurazioni si lavora alla cieca. Le sostanze devono poi essere distillate fino a ottenere un grado di purezza non sempre necessario, per essere però sicuri che soddisfino le specifiche richieste. Queste lavorazioni multiple utilizzano tra il 30 e il 50% in più dell’energia rispetto a processi costantemente monitorati. Gli impianti di processo controllano i flussi e le condizioni di reazione misurando ciò che è già accaduto, invece di utilizzare algoritmi per anticipare e ottimizzare ciò che sta per accadere. In questo modo si attenua il controllo di qualità, si sprecano sostanze e capacità e si rendono necessari processi successivi per recuperare la qualità del prodotto. La soluzione? Aggiungere sensori e controlli che garantiscano l’esecuzione sempre ottimale dei processi: farlo bene, farlo una volta e quindi fermarsi.

Questo principio funziona solo se agli operatori è chiaro il quadro di ciò che stanno facendo. Un’importante fabbrica asiatica di hard disk ha risparmiato milioni di dollari apponendo sulla valvola di misurazione della pressione un display che, oltre a segnalare il momento giusto per cambiare i filtri nelle “camere bianche” – le aree di lavoro con umidità, temperatura, aria e pressione controllate – quantifica anche i “centesimi risparmiati per disco” e le “migliaia di dollari di profitto annui” che ne derivano. In un altro impianto, associando una legenda grafica dei risparmi agli interruttori della luce si sono tagliati i costi di 30.000 dollari nel giro di un anno. I rapidi progressi nella tecnologia dei sensori, dell’informatica e della visualizzazione grafica a colori aiutano gli operatori ad applicare la propria intelligenza ai vari processi ai quali lavorano, con effetti spesso rivoluzionari.

Spesso le attrezzature high-tech sprecano come quelle convenzionali. La riqualificazione energetica dei laboratori Caltech ha garantito un risparmio compreso tra il 50 e il 60% dell’energia primaria impiegata da strumenti come gli spettrometri di massa, tipici delle attrezzature da laboratorio industriali. Anche alcune singole migliorie, come i controlli per la gestione dell’alimentazione, le pompe per vuoto a doppia efficienza e l’impiego dell’acqua raffreddata a servizio dell’edificio invece dei mini refrigeratori, sono ben accolte dai produttori, ai quali prima d’ora l’efficienza non era mai stata richiesta. Le 750.000 cappe di aspirazione attive nei laboratori chimici e biotecnologici consumano tra il 50 e il 75% della fattura elettrica complessiva, pari a 3 miliardi di dollari l’anno. Ognuna di queste utilizza l’energia necessaria all’alimentazione di tre case. Il costo di riadeguamento di queste strutture può essere recuperato in cinque anni, o ancora prima nei nuovi laboratori, se si associano sistemi per lo sfiato che non entrano in funzione se l’aria è pulita. In ogni caso, anche le cappe meno efficienti non consumano quando vengono spente. Ecco perché l’intervento migliore è quello che prevede l’eliminazione delle cappe, eliminando fin dalla progettazione la tossicità dei prodotti.

Il secondo ingrediente: ridurre le perdite nei sistemi che distribuiscono i servizi energetici nei singoli impianti

Spesso è possibile ottenere grandi risparmi grazie a semplici migliorie e a procedure di manutenzione accurate, quali l’isolamento delle condutture, la pulizia dei filtri dell’aria e delle valvole automatiche, la regolazione dei fattori di potenza o l’installazione di pompe e ventole che consentano ai fluidi di entrare e uscire con regolarità. Alcuni dei risparmi più consistenti, benché meno visibili, non si ottengono con dispositivi costosi ma migliorando tubazioni, condotti e cavi.

Chi, per esempio, ha mai pensato a eliminare le dispersioni di elettricità che si verificano lungo i cavi di distribuzione delle fabbriche e degli edifici? È invece l’attività principale di CDA (Copper Development Association), impresa dedita allo sviluppo del rame, che ovviamente punta a vendere maggiori quantità di questo materiale. Negli anni Novanta ha pubblicato delle linee guida aggiornate sulle dimensioni più adeguate dei cavi in rame. La vecchia tipologia, che tutti hanno sempre utilizzato e che molti ancora usano, era concepita per prevenire gli incendi. CDA, invece, punta anche a evitare gli sprechi economici. Nel circuito elettrico tipico di un impianto di illuminazione del 1996, la sostituzione del vecchio cavo con uno nuovo e più robusto ha garantito un rendimento annuo economico del 169%, dedotte le tasse. Il Giappone mira ad adottare uno standard simile e spinge per la sua diffusione a livello globale. In America, il settore industriale e quello dei servizi pubblici spendono ancora circa un miliardo di dollari l’anno per acquistare trasformatori elettrici inefficienti con un ridotto impiego di rame.

A volte basta un occhio più attento per individuare gli sprechi nei sistemi di distribuzione dell’energia. Se un visitatore, durante un fine settimana, può sentire il rumore di un compressore in funzione quando non c’è nessuno nella fabbrica, è probabile che si sia in presenza di uno spreco. Perdite di questo genere si sommano. I compressori d’aria si trovano ovunque e consumano il 9% dell’elettricità industriale degli Stati Uniti. Servono per far funzionare giraviti pneumatici o vecchi controlli dell’era predigitale e asciugano, tra gli altri, i circuiti stampati. Ma la produzione e la distribuzione di aria compressa ha un’efficienza solo del 10%, ed è quindi molto costosa. A volte è sufficiente regolare i sistemi di compressione per risparmiare metà dell’energia, con un recupero dell’investimento in sei mesi. Modern Forge of Tennessee ha ridotto l’impiego totale di elettricità dell’8% ottimizzando questo tipo di attrezzature, con un costo complessivo dell’operazione inferiore a zero, perché in questo modo ha evitato di acquistare nuovi compressori.

Il terzo ingrediente: migliorare l’efficienza dei dispositivi quali caldaie e motori che trasformano l’energia in servizi utili

L’industria statunitense utilizza oltre 13 milioni di motori che azionano trapani, refrigeratori, polverizzatori, miscelatori, ventilatori e un numero infinito di altri strumenti. Questi motori impiegano i tre quinti di tutta l’elettricità consumata dall’industria. Dopo qualche settimana, un motore che funziona costantemente ha utilizzato una quantità di elettricità che ha un valore superiore al costo del motore stesso. Un motore da 100 Cavalli vapore (Cv) costa circa 10.000 dollari e la quantità di elettricità consumata in 20 anni vale mezzo milione di dollari. In un grande impianto non è difficile trovare centinaia di motori di questo genere. Il risparmio di un singolo punto percentuale nell’efficienza di un solo motore vale oltre 60 dollari per ogni Cv. Non è poi così difficile, quindi, capire come risparmiare grandi quantità di energia e denaro scegliendo motori più efficienti e disattivando quelli inutilizzati. Il sistema di gestione dell’energia della giapponese Mori Seiki Company arresta le funzioni inutilizzate dei macchinari, abbattendo così il consumo energetico di circa l’80%, con un risparmio del 40% anche durante le normali operazioni.

Di solito sui motori non viene installato un display che registra in tempo reale il flusso di cassa. Di conseguenza, è difficile monitorare i risparmi, e diventa difficoltoso utilizzare solo i motori della dimensione più adeguata o solo quando sono necessari. L’aggiunta di semplici variatori di velocità può ridurre il consumo energetico tra il 15 e il 30%, spesso anche di più. Ulteriori guadagni sono possibili installando motori più efficienti. Stranamente, nel 2010 i prezzi dei motori più comuni, quelli da 100 Cv, erano assolutamente indipendenti dall’efficienza (si registrava una lieve correlazione solo nei modelli da 400 Cv). Comprando un motore da 250 Cv, un acquirente attento poteva quindi ottenere un motore molto efficiente a un costo inferiore rispetto a quello di uno inefficiente, guadagnando in denaro investito, migliore qualità e durata del motore (con un risparmio di 20.000 dollari in elettricità). I progressi nell’efficienza dei motori non si fermano: i modelli più recenti del 2011 garantiscono due o tre punti percentuale di efficienza in più rispetto ai motori “premium” del 2010. Ce ne sono anche di più economici, con una compattezza che consente di utilizzare meno rame e ferro.

Lo stesso vale per pompe e ventole, che sono le applicazioni più diffuse dei motori. Le pompe europee e nordamericane mostrano un intervallo di efficienza che va dal 6% per quelle più grandi fino al 15-20% per quelle più piccole. Un’indagine condotta negli Stati Uniti nel 1996 ha rilevato differenze di efficienza comprese tra il 4 e il 10% anche tra le ventole più efficienti di una tipologia particolarmente efficiente. È un luogo comune presupporre che la maggiore efficienza costi di più, e che la differenza non sia compensata dal maggior valore, ma un acquisto attento può confutare queste considerazioni.

Questi risparmi in efficienza sono possibili per tutti i dispositivi che convertono l’energia, come caldaie, compressori, refrigeratori, ventilatori. Le super caldaie di Gas Technology Institute e Cleaver-Brooks, per esempio, hanno dimensioni e peso dimezzati rispetto alla maggior parte delle caldaie in commercio, e consumano un quinto in meno. Qualunque sia l’efficienza durante la normale operatività, a molte caldaie mancano ancora controlli intelligenti. Molte tra quelle più piccole impiegano tra il 25 e il 45% del loro combustibile solo per attivarsi, poi forniscono molto calore per periodi brevi, quindi si spengono fino a quando ripetono tutta la sequenza, perché i controlli di cui dispongono non riconoscono il carico richiesto e possono solo regolare la temperatura. I controlli smart invece determinano i carichi effettivi e si adeguano di conseguenza. La caldaia della Jordan Hall Butler University funzionava con sei cicli l’ora, ora ne fa due al giorno. Questi controlli garantiscono risparmi di combustibile compresi tra il 20 e il 50% e si ripagano in qualche mese o al massimo in un paio d’anni.

Il quarto ingrediente: recuperare l'energia sprecata

Negli impianti industriali vengono investite grandi somme di denaro ed energia che spesso producono quantità colossali di calore di scarto, di eccessi di pressione e di prodotti secondari inutili. L’energia in più serve spesso per raffreddare e trattare i flussi di calore di scarto, prima di poterli disperdere. Le billette di acciaio ad alta temperatura vengono spesso spostate in luoghi così distanti prima di essere lavorate da dover poi essere riscaldate di nuovo. Ho visitato un impianto metallurgico in cui il materiale veniva portato a più di 1.200 °C, raffreddato con acqua, asciugato con aria riscaldata elettricamente e quindi sottoposto allo stesso trattamento più e più volte. Nessuno aveva spiegato agli operatori come conservare caldi gli elementi caldi e asciutti quelli asciutti (e quando qualcuno l’ha fatto si sono adeguati rapidamente).

Come detto prima, un impiego particolarmente interessante dello scarto prevede il recupero del calore prodotto dalla generazione di elettricità. Le centrali elettriche americane trasformano il combustibile in un terzo di elettricità e due terzi di calore, e quel calore viene in genere disperso, in un processo che alla fine spreca più energia di quella utilizzata complessivamente dal Giappone. Di regola non è possibile recuperare il calore sprecato in industrie collocate nelle vicinanze, e le vecchie regole statunitensi, che non sono vincolanti per la maggior parte dei concorrenti stranieri, incoraggiano o obbligano la realizzazione di impianti di produzione esclusivamente elettrica. L’industria però richiede enormi quantità di calore. La cogenerazione di elettricità e calore nelle fabbriche può raddoppiare l’efficienza e consentire risparmi di energia, denaro ed emissioni. In Europa questa è la pratica standard. Triplicando la capacità di cogenerazione negli Stati Uniti e portandola a 240 GW si ridurrebbero le emissioni totali di anidride carbonica degli Stati Uniti del 12%. In più, molte fabbriche potrebbero vendere il calore a bassa temperatura (una possibilità in genere preclusa alle utility regolamentate) ad altre fabbriche o edifici collocati a distanze convenienti. Anche questa è una pratica comune in Europa, ma non viene considerata nella nostra analisi; potenzialmente consente un risparmio del 30% dell’energia industriale statunitense e dell’11% dell’energia totale.

Questi quattro ingredienti generano considerevoli risparmi in efficienza, e si rafforzano a vicenda. Ridurre la quantità di calore e vapore necessari per produrre una reazione chimica significa anche limitare le perdite dovute al trasporto di quel vapore fino alle vasche in cui si ha la reazione, e utilizzare quindi una caldaia più piccola, economica ed efficiente. Recuperando parte di quel calore, i risparmi in efficienza si sommano ulteriormente. Inoltre, come già accade in edilizia, l’efficienza promuove benefici non direttamente correlati all’energia. Il professor Ernst Worrell, della Utrecht University, ha scoperto che conteggiando i valori non energetici di 47 passaggi di riqualificazione mirati al risparmio energetico nell’industria del ferro e dell’acciaio si genera un raddoppio dei risparmi effettivi che rende economicamente vantaggiosi altri 11 passaggi. Ha inoltre catalogato 76 ricerche sui vantaggi non energetici, 52 dei quali contabilizzati, che consentivano di dimezzare il periodo di ammortamento. Se il settore industriale tenesse conto di questi vantaggi extra, diventerebbe immediatamente più efficiente. Questo risparmio è stato lasciato fuori dalla nostra analisi per prudenza, e verrà preso in considerazione solo più avanti, in relazione alle opportunità offerte dalla progettazione integrata.

Per concludere, sfruttando questi quattro ingredienti fondamentali, aziende come Dow e 3M hanno ridotto enormemente la quantità di energia necessaria per ottenere le stesse quantità di prodotto. E ci sono ulteriori guadagni che possono essere ottenuti.

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