background

Recupero calore di scarto

Situazione

L'interesse nella riduzione dei consumi energetici con tutte le conseguenze che ne derivano è in continua evoluzione. Tra le possibili opzioni quella del calore disperso dai processi rappresenta una grande opportunità. Non è raro, infatti, che le attività produttive abbiano la necessità di smaltire del calore di processo, operazione che a seconda dei casi può richiedere il consumo di ulteriore energia e materiali. Il recupero di questo calore permette di coprire parte del fabbisogno energetico legato all'attività che lo produce, ma anche alle attività accessorie quali, ad esempio, il riscaldamento degli uffici o dell'acqua calda sanitaria.

Obiettivo

Per poter effettivamente sfruttare il calore di recupero sono necessarie due condizioni: la presenza di un'utenza termica e la compatibilità di temperatura del calore recuperato con le specifiche richieste. La batteria termica a PCM garantisce un'elevata flessibilità nel processo di recupero perché è in grado di accumulare il calore ad una temperatura ben definita, prossima a quella della sorgente, per poter essere riutilizzato quando necessario; il principio fisico del cambio di fase, con rilascio di energia a temperatura costante, permette di mantenere alto il contenuto di utile del calore (exergia) fornito all'utenza.

Alcuni esempi di impiego del calore recuperato sono: preriscaldo nel processo o attività che genera il calore di scarto, valorizzazione efficiente del calore recuperato mediante pompa di calore (anche per alte temperature), riscaldamento ambienti, acqua calda sanitaria, copertura di picchi di richiesta termica.

Progettazione

Il primo passo da compiere verso la realizzazione di un sistema di recupero è la quantificazione del calore disponibile: è quindi necessario valutare i flussi termici in gioco e il loro profilo d'uso in modo da determinare la quantità di energia accumulabile ed i momenti in cui si rende necessario utilizzarla. Viene successivamente valutata la frazione del calore recuperabile rispetto al totale, dipendente dal livello termico disponibile, dalle caratteristiche del processo e dalla modalità di recupero.

Al termine di queste valutazioni si può procedere al dimensionamento della batteria di accumulo termico, al materiale da utilizzare ed alle tempistiche di funzionamento.

Proposta e risultati attesi

Il caso in esame riguarda uno stabilimento che produce oggetti meccanici mediante stampaggio a caldo, con raffreddamento all'aria dei pezzi al termine della lavorazione.

Seguendo le fasi della progettazione si stima che il calore disponibile al termine della lavorazione dell'intero stabilimento sia superiore ai 2 MWh al giorno; di questo solo una parte potrà effettivamente essere recuperato. Per quantificare questo valore è necessario definire il modo in cui verrà recuperato il calore e stimare la producibilità basandosi sulle caratteristiche termodinamiche del sistema.

Lo stoccaggio degli oggetti ad alta temperatura avviene all'interno di cassoni di metallo, per cui non volendo rivedere pesantemente l'attuale processo produttivo, si è pensato di confinare i cassoni in un box metallico coibentato, all'interno del quale sono presenti degli scambiatori aria/acqua. A seguito di alcuni test sperimentati realizzati direttamente presso lo stabilimento, il recupero termico si è rivelato promettente permettendo di raccogliere informazioni sulle specifiche tecniche da adottare per la versione definitiva.

Particolare dell'interno del box con vista degli oggetti meccanici raccolti e posizione delle piastre

Particolare dell'interno del box con vista degli oggetti meccanici raccolti e posizione delle piastre

Vista esterna del prototipo; si nota il collegamento in serie delle piastre.

Temperatura esterna del box durante il funzionamento.

Temperatura esterna del box durante il funzionamento.

Temperatura degli oggetti meccanici all'inizio della prova.

Temperatura degli oggetti meccanici all'inizio della prova.

L'analisi e l'elaborazione delle informazioni acquisite hanno portato alla definizione delle specifiche tecniche dell'impianto e della miglior soluzione impiantistica da proporre. Il risultato ottenuto prevede tre sezioni (recupero, accumulo, pompa di calore acqua/acqua) al servizio del riscaldamento ambienti della palazzina uffici e dell'acqua calda sanitaria, sostituendo l'attuale approvvigionamento con gas naturale.

Tale intervento ha come primo obiettivo il recupero e la valorizzazione del calore di scarto derivante dalla produzione, ma anche la verifica della funzionalità del sistema in vista di un'estensione verso il riscaldamento degli ambienti produttivi, quali l'attrezzeria ed i magazzini.

Di seguito il sommario delle caratteristiche tecniche dell'impianto da realizzare e lo schema impiantistico.

Potenza di riscaldamento
FABBISOGNO TERMICO STAGIONE INVERNALE 80 MWht
ENERGIA TERMICA RECUPERATA DA CALORE DI SCARTO ca. 60 MWht
TAGLIA POMPA DI CALORE 10 - 15 kWe
COP MEDIO 5
TAGLIA BATTERIA TERMICA 45 - 60 kWh
Schema riscaldamento

Valutazione tecnico economica

Tenuto conto che ogni applicazione deve essere valutata sia dal punto di vista tecnico che da quello economico, di seguito si riporta la valutazione preliminare del caso studiato per un'azienda industriale nel settore dello stampaggio a caldo.

Nella tabella seguente sono riportati i dati principali.

COSTO INVESTIMENTO COMPLESSIVO € 50.000
DETRAZIONE FISCALE 65%
COSTI NASCENTI ANNO € 2.200
COSTI CESSANTI ANNO € 5.200
ROI 5,7 anni
VAN € 5.800
TIR 11,4%
Flusso cumulato