Diagnosi energetica di un’utenza industriale. Il caso studio di una zincheria.

FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria dell’Energia

Diagnosi energetica di un’utenza industriale finalizzata al risparmio energetico Il caso studio di una zincheria

Tesi di Laurea di: Paolo Vilardo

Relatore: Dott. Ing. Antonio Piacentino

ANNO ACCADEMICO 2012 – 2013

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INDICE Introduzione ………………………………………………………………….... pag. 4 Ringraziamenti ……………………………………………………………….. pag. 5 Capitolo I 1.1 Panorama della situazione energetica mondiale ……………………...……… pag. 6 1.2 Consumi di energia primaria nel mondo ……….….…………………………. pag. 7 1.3 Consumi di energia primaria in Europa ……………………………..……… pag. 11 1.4 La situazione energetica in Italia …………………..……………………….. pag. 14

Capitolo II 2.1 L’importanza dell’efficienza energetica ……………………………………. pag. 14 2.2 Usi finali dell’energia per settore ………………………………………........ pag. 16 2.3 L’efficienza energetica in Italia …………………..………………………… pag. 20

Capitolo III 3.1 Energy Management ………………………………………………...………. pag.22 3.2 Energy Audit ………………………………………………………………… pag.24 3.2.1 Documentazione da raccogliere per la diagnosi ………………..……. pag. 26 3.3 Società di servizi energetici …………………………..…………………….. pag. 28

Capitolo IV 4.1 L’azienda “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.” ………………………..……… pag. 31 4.2 La corrosione dell’acciaio …………………...……………………………… pag. 32 4.3 Processo di zincatura a caldo …………………..…………………………… pag. 36 4.3.1 Sgrassaggio ……………………………………………………..……. pag. 38

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4.3.2 Decapaggio ………………………………………………..…………. pag. 38 4.3.3 Flussaggio ……………………………………………..……………... pag. 39 4.3.4 Essiccazione e preriscaldamento ……………..……………………… pag. 40 4.3.5 Immersione nello zinco ………………………………….…………… pag. 40 4.3.6 Raffreddamento ..…………………..………………………………… pag. 43 4.4 Vantaggi della zincatura a caldo ………………..…………………………... pag. 45

Capitolo V 5.1 Sopralluogo ……………………………………..…………………………... pag. 46 5.2 Analisi delle informazioni di base …………………..……………………… pag. 46 5.3 Analisi della documentazione tecnica ……………………………...……….. pag. 53 5.3.1 Studio dei carichi elettrici …………………… ……………………... pag. 53 5.3.2 Studio dei dispositivi alimentati a gas ……………..………………… pag. 57

Capitolo VI 6.1 Definizione dell’Energy Plan ………………………………...……………... pag. 60

Capitolo VII 7.1 Possibili misure di contenimento dei consumi elettrici ………………..…… pag. 62 7.1.1 Interventi sui motori elettrici ………………………..……………….. pag. 63 7.1.2 Valutazioni economiche ……………………………………..………. pag. 64 7.1.3 Misure di efficientamento dell’impianto di illuminazione ………..…. pag. 71 7.2 Possibili misure per ridurre i consumi di gas naturale …………...…………. pag. 72 7.2.1 Bilancio energetico e utilizzo a cascata del calore di scarto ………..... pag. 73

Conclusioni …………………………………………………………………… pag. 82 Bibliografia …………………………………………………………...……… pag. 83

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Introduzione Le previsioni formulate dalle principali organizzazioni internazionali rivelano che la domanda di energia, nei prossimi anni, continuerà ad aumentare, soprattutto a causa della crescita economica e sociale dei paesi in via di sviluppo. A tale fenomeno si aggiungono altri fattori, quali l’aumento dei prezzi delle fonti energetiche fossili, le tensioni sul fronte degli approvvigionamenti e la crescente preoccupazione destata dai cambiamenti climatici, che impongono oggi l’avviamento di una profonda trasformazione del comparto energetico e delle attuali modalità di consumo. Nel settore della generazione di energia elettrica il cambiamento è già cominciato da più di un decennio, mentre nei settori dell’industria, dei trasporti e dell’edilizia è necessario imprimere un’accelerazione al processo di trasformazione. Nel trasporto, lo sforzo innovativo si sta concentrando sulla progettazione di nuovi veicoli sempre più efficienti e sullo sviluppo di nuove modalità di gestione della mobilità, all’interno delle aree urbane. Per quanto riguarda, invece, i settori dell’industria e dell’edilizia, le autorità hanno puntato maggiormente sull’efficientamento del patrimonio esistente, attraverso una serie di normative che promuovono ed incentivano il risparmio energetico. In questo senso, strumenti come la certificazione energetica e l’audit energetico possono svolgere un ruolo importante per il miglioramento delle prestazioni e il diffondersi di comportamenti virtuosi.

Lo scopo del presente elaborato è quello di mostrare lo sviluppo, le caratteristiche, l’utilità e i benefici di un Energy Audit, condotto su uno stabilimento di un’impresa di medie dimensioni, che si occupa della realizzazione, della verniciatura e della zincatura a caldo di manufatti in acciaio. In primo luogo, viene presentata una descrizione della situazione energetica attuale e una visione generale di quella che è stata la domanda di energia primaria in Italia e nel mondo. Nel secondo capitolo vengono analizzati i consumi di energia per i diversi settori e viene illustrato il valore dell’efficienza energetica, soprattutto per un Paese povero di risorse energetiche come l’Italia. Il Capitolo III introduce il concetto di gestione dell’energia e di E.S.Co, ed espone brevemente cosa è e come si sviluppa un audit energetico. Il Capitolo IV, invece, riporta una descrizione approfondita di tutte le fasi operative della zincatura a caldo, il processo industriale realizzato nello stabilimento che è stato scelto come oggetto dell’audit. Nel Capitolo V vengono poi analizzati tutti i dati e le informazioni raccolte sull’azienda, mentre nel Capitolo VI si parla delle caratteristiche dell’Energy Plan. Infine, l’ultimo capitolo contiene tutte le valutazioni tecniche ed economiche, fatte a proposito delle possibili misure di contenimento dei consumi di energia elettrica e di gas naturale.

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Ringraziamenti Desidero porgere i miei più sentiti ringraziamenti a coloro che mi hanno sostenuto nella realizzazione di questo elaborato.

Ringrazio anzitutto il prof. Antonio Piacentino, relatore di questa tesi, per la grande disponibilità e cortesia dimostratemi, e per l’aiuto datomi durante la stesura.

La mia gratitudine va poi a tutto il personale e alla dirigenza della “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.” per la cordialità e il calore con cui sono stato accolto in azienda e per essere venuti incontro alle mie esigenze, fornendomi puntualmente tutto il materiale di cui avevo bisogno. In particolare vorrei ringraziare il sig. Salvatore Lo Cascio, titolare dell’azienda, per avermi permesso di effettuare ricerche all’interno della sua azienda, e il sig. Giuseppe Locascio, per il tempo dedicatomi e per l’aiuto costante nella raccolta dei dati e della documentazione necessaria.

Infine, ringrazio di cuore le persone a me più care per avermi accompagnato ed incoraggiato lungo questo percorso, non privo di difficoltà: i miei genitori, che con il loro incrollabile sostegno morale ed economico mi hanno permesso di raggiungere questo traguardo; la mia ragazza, che in maniera instancabile mi è stata vicina, sempre pronta a darmi consiglio e supporto nei momenti più duri; tutti i miei familiari, per l’affetto mostratomi.

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Capitolo I 1.1 Panorama della situazione energetica mondiale L’attuale sistema energetico è basato principalmente sullo sfruttamento dei combustibili fossili, la cui utilizzazione comporta l’emissione di gas inquinanti e la cui disponibilità è limitata nel tempo. In base a diversi studi effettuati nel corso degli anni, si stima che, con gli attuali ritmi di consumo, tali risorse siano destinate ad esaurirsi nel giro di alcuni decenni, anche se non si hanno certezze a riguardo. Oltre a ciò, bisogna tenere conto della domanda di energia che continua ad aumentare di anno in anno; domanda che, a lungo andare, non potrà essere soddisfatta facendo affidamento sulle sole risorse tradizionali, o quantomeno, non senza esercitare eccessive pressioni sull’ambiente naturale e sulla salute umana. L’aumento del fabbisogno energetico mondiale sarà dovuto a diversi fattori, primo fra tutti l’inarrestabile accrescimento della popolazione.

Secondo un recente rapporto dell’Onu, infatti, si prevede che il numero di individui presenti sul nostro pianeta potrebbe raggiungere e superare i 10 miliardi entro il 2100, e che il miglioramento della qualità e delle condizioni di vita nei Paesi in via di sviluppo farà sì che sempre più persone avranno accesso all’energia, determinando pertanto un notevole aumento dei consumi. Le statistiche fornite dall’IEA1 riferiscono che nei prossimi 25 anni la domanda mondiale di energia primaria continuerà ad incrementarsi negli anni, soprattutto sotto la spinta dei Paesi non-OCSE2, tra i quali spiccano i colossi Cina e India, in piena fase di forte espansione economica. A questa problematica va aggiunta la necessità di conciliare al progresso tecnologico, economico e sociale, la salvaguardia dell’ambiente, così da limitare l’inquinamento e contenere l’impatto dell’uomo sull’ecosistema. Ciò al fine di moderare i processi di cambiamento climatico in atto, le cui cause e i cui effetti appaiono sempre più evidenti. In base a queste considerazioni, è innegabile che le attuali modalità di consumo dell’energia necessitano 1

L’IEA (International Energy Agency) è un'organizzazione intergovernativa fondata nel 1974, in risposta alla crisi petrolifera dell'anno precedente, per facilitare il coordinamento delle politiche energetiche dei Paesi membri, al fine di assicurare la stabilità degli approvvigionamenti e sostenere la crescita economica.

Recentemente l'agenzia ha assunto un ruolo di promotore dello sviluppo sostenibile e della razionalizzazione delle politiche energetiche, e guida la ricerca multinazionale su nuove fonti di energia.

Essa inoltre fornisce statistiche autorevoli, analisi e raccomandazioni in materia di energia. Ad oggi gli Stati membri dell’IEA sono 28.

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L’OCSE (Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico, in inglese Organisation for Economic Co-operation and Development – OECD) svolge prevalentemente un ruolo di assemblea consultiva che consente un'occasione di confronto delle esperienze politiche, per la risoluzione dei problemi comuni, l'identificazione di pratiche commerciali idonee ed il coordinamento delle politiche locali ed internazionali dei Paesi membri, aventi in comune un sistema di governo di tipo democratico ed un'economia di mercato.

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di una rivisitazione e che occorre promuovere nuovi modelli di sviluppo più sostenibili, tali cioè da ridurre la dipendenza dalle fonti fossili, limitare gli sprechi, migliorare la sicurezza degli approvvigionamenti energetici, contenere le emissioni di gas serra, e tali da assicurare il benessere delle generazioni presenti, senza allo stesso tempo compromettere alle generazioni future la possibilità di soddisfare i propri bisogni.

1.2 Consumi di energia primaria nel mondo Il consumo interno lordo di energia esprime il fabbisogno energetico totale di un Paese.

Esso viene calcolato come la somma della produzione primaria e delle importazioni, al netto delle esportazioni, e include i consumi del settore dell’energia stessa, le perdite nei processi di trasformazione e distribuzione, il consumo di energia da parte degli utenti finali. Secondo quanto riportato nel BP Statistical Review of World Energy3, pubblicato nel mese di giugno del 2013, il consumo di energia primaria a livello globale è ammontato a circa 12.477 Mtep4 nell’anno 2012, registrando un aumento dell’1,8% rispetto al valore rilevato nel 2011. Un incremento comunque inferiore alla media degli ultimi 10 anni, come la stessa pubblicazione fa notare. Le cause di questo rallentamento nella crescita dei consumi energetici sono da ricercare nella crisi economica e nell’aumento dei prezzi nel settore energetico, che ha spinto gli utenti finali a ridimensionare i propri consumi. La quasi totalità della crescita ha avuto luogo nei Paesi emergenti, prime fra tutti Cina e India, mentre i Paesi OCSE hanno continuato nel loro trend negativo degli ultimi anni, con gli Stati Uniti in prima fila, interessati dal calo più grande in termini volumetrici (-2,8%).

Osservando i dati relativi al consumo di energia primaria di ogni singolo Paese, notiamo che al primo posto si colloca la Cina, con 2735 Mtep, la quale ha registrato un +7,4% rispetto al 2011. La Cina, negli ultimi 10 anni, ha visto aumentare i propri consumi a ritmi vertiginosi, al punto da superare e staccare gli Stati Uniti, lo Stato storicamente più 3

La BP è una società operante nel settore energetico e soprattutto del petrolio e del gas naturale, settori in cui è uno dei maggiori attori a livello mondiale. Ogni anno la BP pubblica un documento, il BP Statistical Review of World Energy, contenente dati aggiornati sui mercati energetici mondiali e dati, relativi a ciascuno Stato, sulla produzione e il consumo di tutte le fonti di energia. Nel corso degli anni, tale rassegna si è affermata nel campo dell'energia come un prezioso riferimento per i media, per il mondo accademico, per i governi e le aziende.

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Il Mtep è un multiplo del tep, la tonnellata equivalente di petrolio (in inglese tonne of oil equivalent, TOE), che è un'unità di misura dell’energia usata nella tecnica e nell'economia, per previsioni o bilanci energetici su grande scala. Il tep rappresenta la quantità di energia termica ottenibile dalla combustione di una tonnellata di petrolio. Dato che le diverse varietà di petrolio posseggono differenti poteri calorifici, il suo valore viene convenzionalmente considerato pari a circa 42 GJ.

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energivoro. Le stime, inoltre, spingono a ritenere che questo andamento dei consumi cinesi non accennerà ad attenuarsi. Al secondo posto seguono gli Stati Uniti con 2209 Mtep, i quali, al contrario, sono stati interessati da una forte riduzione dei consumi (2,8%), e la Russia al terzo posto con 694 Mtep (-0,6%). Dopo troviamo l’India con 564 Mtep, che sta vivendo un periodo di grande sviluppo (+5,1%), il Giappone con 478 Mtep (-0,9%), il Canada con 329 Mtep (-0,2%), la Germania con 312 Mtep (+1,1%), e via di seguito (Tabella 1).

Tabella 1. Consumi di energia primaria Stato

Consumo (Mtep)

Rispetto al 2011

Rispetto al totale

1. Cina

2735.2

+7.4%

21.9%

2. USA

2208.8

-2.8%

17.7%

3. Russia

694.2

-0.6%

5.6%

4. India

563.5

+5.1%

4.5%

5. Giappone

478.2

-0.9%

3.8%

6. Canada

328.8

-0.2%

2.6%

7. Germania

311.7

+1.1%

2.5%

8. Brasile

274.7

+1.6%

2.2%

9. Corea del Sud

271.1

+1.0%

2.2%

10. Francia

245.4

< +0.05%

2.0%

11. Iran

234.2

+2.9%

1.9%

12. Arabia Saudita

222.2

+6.8%

1.8%

13. Regno Unito

203.6

+1.2%

1.6%

14. Messico

187.7

+3.7%

1.5%

15. Italia

162.5

-4.4%

1.3%

16. Indonesia

159.4

+0.2%

1.3%

17. Spagna

144.8

-0.8%

1.2%

18. Australia

125.7

-0.9%

1.0%

19. Ucraina

125.3

-0.5%

1.0%

20. Sudafrica

123.8

+1.0%

1.0%

21. Turchia

119.2

+0.6%

1.0%

22. Thailandia

117.6

+5.5%

0.9%

23. Taiwan

109.4

-0.6%

0.9%

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Per quanto riguarda le fonti, i combustibili fossili continuano ad essere dominanti, coprendo da soli più dell’80% del fabbisogno mondiale. Tra questi il più sfruttato è il petrolio, che, nel 2012, ha fornito circa il 33% dell’energia primaria complessivamente utilizzata, ma ha avuto il tasso di crescita più basso tra i combustibili fossili e per l’ennesimo anno consecutivo ha visto ridursi la sua percentuale nel mix energetico.

Nonostante ciò, la produzione di petrolio si è intensificata, raggiungendo livelli record in Medio Oriente, per far fronte all’aumento della domanda ascrivibile soprattutto alle importazioni da parte della Cina.

Diversi Paesi, negli ultimi tempi, hanno concentrato il loro interesse anche su un’altra fonte fossile, il carbone, in quanto le nuove tecnologie hanno reso questa risorsa più competitiva e meno dannosa per l’ambiente. Per questo il carbone, tramite il quale è stato soddisfatto circa il 30% del fabbisogno totale, ha registrato un incremento nella sua utilizzazione. In questo settore la Cina riveste un ruolo trainante, essendo il primo produttore e consumatore mondiale di tale risorsa.

Il gas naturale costituisce un combustibile fossile relativamente più “pulito” degli altri, poiché la sua combustione genera minori quantità di CO2 e non produce polveri e residui vari. Di conseguenza, questa fonte di energia ha man mano rimpiazzato il petrolio e il carbone in molte applicazioni e la sua importanza nel mix energetico è destinata ad aumentare, nel prossimo futuro. Ad oggi, il gas naturale copre il 24% della richiesta globale di energia primaria.

La restante parte dell’energia proviene poi dalla fonte idroelettrica (7%), dalla fonte nucleare (4%) ed infine dalle fonti rinnovabili (eolica, geotermica, solare, biomassa, rifiuti; 2%). Anche la produzione di energia da fonti rinnovabili ha ravvisato una crescita notevole ma attualmente esse soddisfano solo una porzione modesta del fabbisogno mondiale. Porzione che dovrà necessariamente essere incrementata, dal momento che lo sviluppo delle fonti rinnovabili costituisce un elemento essenziale per l’evoluzione di modelli sostenibili di consumo.

Se il consumo di tutte le fonti, nell’anno 2012, è risultato in aumento, lo stesso non si può dire del nucleare, che in seguito all’incidente di Fukushima Dai-chi del marzo 2011, ha conosciuto un periodo di declino. Ciononostante, si attende per i prossimi anni una ricrescita di questo settore, grazie ai programmi nucleari di Paesi come la Cina, la Russia, l’India, la Corea del Sud, che prevedono la costruzione di nuove centrali.

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Figura 1. Paniere energetico nel 2011 Altre rinnovabili 1,7%

Idroelettrico 6,5%

Nucleare 4,9%

Petrolio 33,4% Carbone 29,7% Gas Naturale 23,8%

Petrolio: 4081,4 Mtep Carbone: 3628,8 Mtep Nucleare: 600,4 Mtep

Gas natural: 2914,2 Mtep Idroelettrica: 794,7 Mtep Altre rinnovabili: 205.6 Mtep (eolico, geotermico, solare, biomassa, rifiuti)

Figura 2. Paniere energetico nel 2012 Altre rinnovabili 1,9%

Idroelettrico 6,7% Nucleare 4,5%

Petrolio 33,1% Carbone 29,9% Gas Naturale 23,9%

Petrolio: 4130,5 Mtep Carbone: 3730,1 Mtep Nucleare: 560,4 Mtep

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Gas natural: 2987,1 Mtep Idroelettrica: 831,1 Mtep Altre rinnovabili: 237,4 Mtep

Passando alla generazione elettrica, si riscontra che il carbone è oggi la principale fonte per la produzione di energia elettrica, considerato il suo costo relativamente basso e la sua grande disponibilità, in diverse zone del pianeta. Segue il gas naturale, che è destinato, anche nel campo della generazione, ad assumere un peso sempre più rilevante, grazie ai vantaggi dal punto di vista ambientale che il suo utilizzo comporta e alla facilità nel trasporto, tramite i gasdotti. In maniera importante contribuiscono poi la fonte nucleare e idroelettrica, mentre il petrolio, impiegato maggiormente per la raffinazione e il settore dei trasporti, incide in misura decisamente minore, così come le altre fonti rinnovabili diverse da quella idroelettrica (fonte eolica, solare, geotermica, biomassa, rifiuti), ancora in fase di crescita.

Figura 3. Fonti utilizzate per la generazione elettrica nel 2012 Altre rinnovabili 4,5%

Petrolio 4,8% Gas Naturale 21,9%

Idroelettrico 15,8%

Nucleare 11,7%

Carbone 41,3%

1.3 Consumi di energia primaria in Europa Il consumo interno lordo di energia primaria nell’Unione Europea è stato di circa 1647 Mtep, valore inferiore solamente a quello di Cina e Stati Uniti. Dopo una lieve ripresa dei consumi nel 2009, i Paesi europei, nei successivi tre anni, hanno fatto registrare complessivamente un calo del loro fabbisogno energetico. Tale fenomeno è attribuibile più ad un rallentamento dell’attività economica, seguito alla crisi finanziaria, che ad un cambiamento strutturale del modello di consumo. Lo Stato membro che contribuisce in maggior misura ai consumi europei è la Germania con 312 Mtep, seguito da Francia con 245 Mtep, Regno Unito 204 Mtep, Italia 163 Mtep e Spagna con 145 Mtep, mentre gli altri Paesi UE presentano valori inferiori ai 100 Mtep.

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Le varie risorse contribuiscono alla copertura della domanda nelle proporzioni indicate nella Figura 4. Dal confronto tra i dati del 2012 e quelli relativi agli anni precedenti, si osserva che il consumo di petrolio, pur essendo sempre dominante rispetto alle altre fonti, ha registrato un progressivo calo nel corso dell’ultimo decennio ed ha continuato a ridursi nel 2012 (-9,9% rispetto al consumo nel 2011); i dati rivelano inoltre che anche la richiesta di gas naturale ha subito una contrazione (-2,3% nel 2012) e che il settore nucleare, soprattutto dopo l’incidente giapponese del 2011, sta vivendo una fase di lieve declino (-2,9%). Al contrario il consumo di carbone è aumentato (+3,4%) e le fonti rinnovabili sono in forte ascesa (+6,5% fonte idroelettrica, +14,9% altre fonti rinnovabili).

Figura 4. Mix energetico dell'Unione Europea nel 2012 Rinnovabili 11%

Nucleare 13%

Petrolio 35% Carbone 16% Gas Naturale 25%

L’analisi del mix energetico pone in evidenza come i Paesi europei basino, in maniera più o meno marcata, le loro economie sullo sfruttamento dei combustibili fossili, in particolar modo sul petrolio e sul gas naturale. Dato che le riserve energetiche nel continente europeo sono molte esigue, se non del tutto assenti, è evidente che gli Stati dell’UE sono costretti a sopperire a questa carenza attraverso le importazioni di risorse primarie dai Paesi esteri. Complessivamente l’Unione Europea non arriva a produrre, all’interno dei propri confini, neppure la metà dell’energia primaria di cui necessita.

L’Italia si trova ampiamente al di sopra della media europea, con una dipendenza dall’estero dell’84%. I principali partner commerciali dell’UE sono, in ordine di esportazioni, la Russia, la Norvegia, la Libia, l’Arabia Saudita, l’Iran, per quanto riguarda il greggio; la Russia, la Norvegia, l’Algeria, il Qatar, per quanto riguarda il gas; ancora la Russia, la Colombia, gli Stati Uniti, l’Australia, il Sudafrica, per quanto riguarda il carbone. Questa forte dipendenza dall’estero comporta una maggiore

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vulnerabilità dell’economia europea, la quale risente in maniera considerevole delle variazioni di prezzo e dell’andamento dei mercati internazionali, e rappresenta un rischio per quanto concerne la sicurezza degli approvvigionamenti, visto che molti Paesi esportatori sono politicamente instabili. Nasce quindi l’esigenza di ridurre la dipendenza energetica e di rendere più sicure le forniture.

Nel 2008 il Parlamento europeo ha definito, in materia di energia, una serie di traguardi da raggiungere, che costituiscono il cosiddetto “Pacchetto Clima-Energia 20-20-20”. Gli obiettivi in esso contenuti possono essere riassunti essenzialmente in tre punti:  incremento della quota del consumo energetico proveniente dalle energie rinnovabili, fino al 20% del totale5;  riduzione del 20% delle emissioni di CO2, rispetto ai livelli del 1990;  riduzione del 20% del fabbisogno di energia primaria, ottenuta attraverso il risparmio e il miglioramento dell’efficienza energetica.

Per garantire la sicurezza degli approvvigionamenti, l’Europa si è mossa su due fronti: uno interno e uno esterno. Sul piano interno, la strategia finalizzata a promuovere l’autosufficienza energetica si incentra sul potenziamento della produzione nazionale di risorse, sia che si tratti di idrocarburi, di energia nucleare o di fonti rinnovabili.

Un’enfasi speciale è posta però su quest’ultime, il cui sviluppo viene considerato fondamentale, perché contribuirebbe sia a ridurre le emissioni di gas serra, sia a moderare la dipendenza dall’estero. Parecchia attenzione è riposta, inoltre, sul risparmio e sull’efficienza energetica, considerati strumenti indispensabili per ridurre la domanda di energia. Considerando che i settori dei trasporti, dell’industria, dell’edilizia e dell’energia stessa possiedono enormi potenzialità di risparmio, risulta evidente come tale riduzione dei consumi comporterebbe notevoli vantaggi, tra cui una minore dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili, un minore impatto ambientale, benefici economici. Per quanto riguarda il piano esterno, l’UE si è impegnata a stipulare accordi commerciali con diversi Paesi produttori e di transito, puntando ad una maggiore diversificazione degli approvvigionamenti energetici. Infine, sono state previste scorte strategiche di idrocarburi, da utilizzare nel caso di interruzione della fornitura.

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L’obiettivo comunitario è del 20%, ma varia da Stato a Stato, in base alle possibilità di ciascuno; l’Italia, per esempio, dovrà arrivare a coprire il 17% dei propri consumi sfruttando le energie rinnovabili.

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1.4 La situazione energetica in Italia In Italia la domanda di energia primaria, nel 2012, si è attestata sui 162,5 Mtep, valore inferiore del 4,4% rispetto a quello relativo al 2011. Al conseguimento di tale contrazione dei consumi hanno contribuito diversi fattori, come il perdurare della crisi economica, l’attuazione di politiche di efficienza energetica, una maggiore consapevolezza da parte dei cittadini, condizioni climatiche più favorevoli.

Confrontando il mix energetico del nostro Paese con quello degli altri Stati dell’Unione Europea, è possibile constatare la peculiarità della situazione energetica italiana, caratterizzata da un massiccio utilizzo del petrolio e del gas naturale, da un ridotto contributo dei combustibili solidi e dal mancato ricorso alla fonte nucleare. Per quanto riguarda il fabbisogno elettrico, il deficit nella produzione viene colmato tramite l’importazione di energia elettrica, quasi interamente di origine nucleare, dai Paesi confinanti. Le fonti rinnovabili risultano in crescita.

Capitolo II 2.1 L’importanza dell’efficienza energetica Il pacchetto 20-20-20, approvato dall’Unione Europea nel 2008, in materia di energia e di clima, presenta tra i principali obiettivi la riduzione del 20% del consumo di energia primaria, rispetto alla quota prevista per il 2020. L’efficienza energetica6 costituisce quindi per l’UE una priorità fondamentale, per una crescita sostenibile. Questo perché nel breve-medio periodo la possibilità di riduzioni consistenti dei consumi di energia non può prescindere da un uso massiccio di tecnologie più efficienti. Ridurre gli sprechi nelle apparecchiature elettriche, nell’industria, nei trasporti e nell’edilizia comporta molteplici e concreti vantaggi, che si ripercuotono su più fronti. Infatti, come è stato brevemente accennato in precedenza, la contrazione della domanda permette, senza diminuire gli standard di vita, di contenere le emissioni di gas a effetto serra e di altri inquinanti, di preservare la qualità dell’ambiente, di ridurre il fabbisogno di combustibili fossili, guadagnando in termini di indipendenza energetica dall’estero e sicurezza degli approvvigionamenti, permette di diminuire le importazioni, 6

Tecnicamente per "efficienza energetica" si intende l'utilizzo di meno energia, mantenendo un livello equivalente di attività o servizio; "risparmio energetico" è un concetto più ampio, che comprende anche la riduzione del consumo mediante cambiamenti di comportamento o mediante una diminuzione dell'attività economica. Spesso distinguere i due concetti risulta difficile e le due espressioni vengono usate in modo intercambiabile.

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risparmiando denaro. Ogni volta che si riesce ad usare meno energia rispetto ai livelli attuali, sia attraverso migliorie tecnologiche che attraverso l’eliminazione di eventuali sprechi, si ottiene un quantitativo di energia in più a disposizione, per cui il risparmio può essere equiparato ad una vera e propria “fonte” interna al Paese. Pur essendo redditizio e ammortizzabile in pochi anni, grazie alla minore spesa sostenuta per il consumo di combustibili, l’adeguamento di edifici, macchinari, impianti e l’acquisto di prodotti a maggiore efficienza energetica comporta un investimento iniziale importante.

La realizzazione di risparmi energetici significativi richiede anche la necessità di modificare le attuali abitudini, così da assumere comportamenti che implicano minori consumi di energia. La ricerca di un maggior rendimento energetico, inoltre, rappresenta uno stimolo alla crescita e allo sviluppo di nuove tecnologie.

La Commissione europea ha varato, nel 2011, un cosiddetto piano di efficienza energetica, che propone diversi percorsi da seguire per il raggiungimento dell’auspicato traguardo di una maggiore efficienza nell'uso delle risorse energetiche. In particolare, la Commissione suggerisce di:  promuovere il ruolo del settore pubblico;  introdurre criteri di efficienza energetica negli appalti pubblici;  incentivare la ristrutturazione di edifici privati;  migliorare il rendimento energetico degli elettrodomestici;  migliorare l'efficienza nella generazione di elettricità e calore;  prevedere requisiti di efficienza energetica per le apparecchiature industriali;  prevedere audit energetici e sistemi di gestione dell'energia per le grandi imprese;  concentrarsi sulla diffusione di contatori intelligenti7, capaci di fornire ai consumatori le informazioni e i servizi necessari ad ottimizzare il consumo energetico.

Le azioni da intraprendere per incentivare l’uso razionale dell’energia devono affidarsi a strumenti ed interventi molto diversificati, al fine di rispondere alle specifiche caratteristiche dei vari settori strategici. Tra i numerosi possibili ambiti e aree di intervento ricordiamo, per esempio:

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Grazie alle reti e ai contatori intelligenti, i consumatori potranno scegliere di attivare i loro apparecchi negli orari non di punta, quando cioè l'energia ha un costo inferiore, o quando vi è abbondante disponibilità di energia eolica o solare.

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 l’illuminazione (apparecchiature illuminanti efficienti, sistemi di regolazione, sensori di luminosità e di presenza, ecc.);  la climatizzazione ambientale (ottimizzazione del rendimento degli impianti, dei sistemi di regolazione, recupero di calore, ecc.);  le strutture (contenimento delle dispersioni dell’edificio e degli impianti, verifica delle coibentazioni e degli isolamenti, ecc.);  i motori e gli azionamenti elettrici (verifica del corretto dimensionamento in funzione del carico richiesto, utilizzo di inverter e motori ad alto rendimento, ecc.);  la cogenerazione/trigenerazione;  la produzione di energia con fonti rinnovabili (fotovoltaico, eolico, idroelettrico, biomasse, ecc.).

2.2 Usi finali dell’energia per settore Esaminando gli impieghi finali dell’energia, è possibile valutare l’entità della domanda che le utenze dei vari settori, ad esclusione del settore energetico, hanno determinato nel periodo di tempo considerato, generalmente un anno. Secondo i dati forniti dall’Eurostat8, aggiornati al 2010, la maggior richiesta di energia, in Europa, deriva dal settore dei trasporti, a cui viene destinato circa un terzo dell’energia finale totale (32%).

Assieme a quest’ultimo dominano i settori industriale (25%) e residenziale (27%). Di minore importanza risulta il settore dei servizi (13%) e ancor più modesto è il contributo dato dal settore dell’agricoltura (3%).

8

L’Eurostat è l'ufficio statistico dell'Unione Europea. Il suo compito è quello di fornire statistiche a livello europeo di elevata qualità, raccogliendo ed elaborando dati sugli Stati membri, che consentano confronti tra Paesi e regioni.

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Figura 5. Consumi di energia per settore in Europa

Agricoltura 3%

Residenziale 27%

Servizi 13% Industria 25% Trasporti 32%

In particolare, dal piano europeo sull’efficienza energetica viene sottolineata la necessità di ridurre il consumo finale nel settore edilizio, dal momento che gli edifici (case, uffici pubblici e privati, negozi e altro) incidono in maniera preponderante, essendo responsabili del 40% circa dell’intera domanda di energia in Europa. Esiste quindi in tale settore un enorme potenziale, il cui effettivo sfruttamento è però di complessa realizzazione, considerata la notevole frammentazione in tantissime piccole utenze e la difficoltà di accordare molti decisori diversi, spesso avversi ai cambiamenti tecnologici. Il piano è incentrato soprattutto sulla necessità di individuare strumenti atti ad incentivare il processo di ristrutturazione di edifici pubblici e privati e a migliorare il rendimento energetico dei componenti e degli apparecchi in essi utilizzati. Una maggiore attenzione richiede il settore pubblico, che deve fungere da traino, sia nel processo di rinnovamento di edifici pubblici, sia nella elaborazione di criteri in materia di appalti, che tengano conto dell'efficienza energetica. Orientare la spesa pubblica verso prodotti, modi di trasporto, edifici, lavori e servizi efficienti sotto il profilo energetico contribuisce a ridurre i costi energetici delle amministrazioni pubbliche. Il piano di azione avrà anche l'effetto di rafforzare la competitività industriale e di accrescere le esportazioni di nuove tecnologie, oltre ad avere effetti positivi in termini di occupazione.

Per quanto riguarda il settore residenziale, dall’analisi degli utilizzi dell’energia emerge che il calore, inteso come uso finale di energia ai fini del riscaldamento e raffrescamento, rappresenta la quota più importante, e quindi l’ambito su cui bisogna agire principalmente per conseguire i miglior risultati in termini di efficienza energetica.

Al secondo posto troviamo i consumi elettrici, riducibili grazie all’acquisto e all’utilizzo

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da parte dei consumatori di apparecchi elettrici più efficienti. Le tecnologie che possono dare un significativo contributo alla riduzione dei consumi nel settore residenziale riguardano in particolare:  impiantistica ad alta efficienza (per esempio caldaie a condensazione, impianti di micro-cogenerazione, pompe di calore a compressione e ad assorbimento, sistemi integrati con le fonti rinnovabili, ecc.);  materiali, dispositivi e prodotti per la riduzione delle dispersioni energetiche e degli assorbimenti di calore.

Tuttavia, gli elevati investimenti iniziali costituiscono per i piccoli consumatori (abitazioni, uffici) un ostacolo rilevante. A questo spesso si aggiunge una scarsa consapevolezza dei potenziali risparmi ottenibili e una difficoltà di accesso agli incentivi.

Il settore dei trasporti, al secondo posto per quanto riguarda il potenziale di risparmio energetico, è quello a più rapida crescita, in termini di consumo energetico, e quello che dipende in misura maggiore dai combustibili fossili. Pertanto, risulta di grande importanza in relazione agli obiettivi di risparmio energetico e di miglioramento dell’efficienza. La strategia individuata per questo settore prevede che siano favorite modalità di trasporto meno energivore, che si incoraggi l’industria automobilistica a perfezionare l’efficienza del parco auto e che vengano introdotti sistemi avanzati di gestione del traffico e progetti infrastrutturali, volti a ridurre gli ingorghi stradali, causa di enormi sprechi di carburante.

Il settore dell’industria, nel corso degli anni, ha già raggiunto nel nostro Paese, tradizionalmente povero di risorse energetiche, livelli di efficienza energetica piuttosto elevati. Di conseguenza, è evidente come l’industria possa contribuire alla riduzione dei consumi e delle emissioni proporzionalmente di meno, rispetto ai settori residenziale e dei trasporti, pur mantenendo comunque un significativo potenziale di risparmio energetico da poter sfruttare. La Commissione europea conta di potenziare l'efficienza energetica nel settore dell'industria stabilendo requisiti per le apparecchiature industriali e adottando misure per l'introduzione di audit energetici, periodici e obbligatori, e di sistemi di gestione dell'energia. I principali ostacoli all’applicazione delle tecnologie efficienti sono rappresentati dai tempi di ritorno degli investimenti, molto spesso giudicati troppo lunghi, e da problemi legati al reperimento delle risorse necessarie.

Problematiche che assumono maggiore rilevanza per le piccole e medie imprese.

Attualmente, il meccanismo dei Certificati Bianchi9 è il principale strumento esistente 9

I Certificati Bianchi, anche noti come “Titoli di Efficienza Energetica” (TEE), sono titoli che attestano il conseguimento di risparmi energetici negli usi finali di energia. Il meccanismo dei Certificati Bianchi è

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per incentivare l’efficienza energetica nell’industria, e su tale strumento si poggia gran parte della strategia nazionale per il raggiungimento dell’obiettivo di riduzione dei consumi energetici, entro il 2020. Allo scopo di colmare le lacune presenti in quest’ambito, la Commissione europea ha suggerito ai vari Stati membri una serie di iniziative. Innanzitutto, ha proposto di creare nuove forme di incentivo, finalizzate ad assicurare agli investitori un adeguato ritorno economico, e di sviluppare un sistema fiscale che incoraggi comportamenti di consumo virtuosi e sistemi di produzione efficienti e che, viceversa, scoraggi comportamenti di consumo poco virtuosi e sistemi di produzione non efficienti. Poi, ha consigliato di provvedere affinché l’efficienza energetica venga coinvolta in tutti i processi decisionali di governo, industria e società.

Un’altra priorità, infine, sarebbe quella di costruire nuove infrastrutture di produzione, per sostituire gli impianti obsoleti, servendosi delle migliori tecnologie disponibili, e per ottimizzare i processi di generazione dell’elettricità e del calore. Infatti i processi di produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia sono accompagnati da perdite sulle quali è necessario agire, per ridurle il più possibile. Tra le tecnologie che più possono contribuire in questo senso troviamo la cogenerazione10, ed in particolare la cogenerazione ad alto rendimento. La tecnica cogenerativa è ormai consolidata, basandosi sull’impiego di macchinari energetici di lunga e provata affidabilità, quali turbine a vapore, turbine a gas, motori a combustione interna. Tali componenti impiantistici sono però penalizzati da un pronunciato effetto scala11, per cui le piccole applicazioni risultano sfavorite da costi di installazione per kW elettrico installato sensibilmente superiori rispetto a quelli dei grandi impianti. La cogenerazione può usufruire dei Titoli di Efficienza Energetica, essendo riconosciuta come misura di efficientamento energetico. Talvolta, per poter saturare al massimo l’offerta di calore, si stato introdotto nella legislazione italiana dai Decreti Ministeriali del 20 luglio 2004 e prevede l’obbligo per i distributori di energia elettrica e di gas naturale di raggiungere, annualmente, determinati obiettivi quantitativi di risparmio di energia primaria. Ogni Titolo di Efficienza Energetica certifica un risparmio pari a una tonnellata equivalente di petrolio (TEP) e, implicando il riconoscimento di un contributo economico, rappresenta un incentivo alla realizzazione di interventi e progetti per incrementare l’efficienza energetica. Le aziende possono assolvere al proprio obbligo realizzando effettivamente progetti che diano diritto ai Certificati Bianchi, oppure acquistando i TEE da altri soggetti sul mercato dei Titoli di Efficienza Energetica.

10

La cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica ed energia termica, ottenuta recuperando il calore di scarto prodotto da un motore primo. L'utilizzazione di un impianto di cogenerazione consente di ottenere un notevole beneficio nel contenimento dei consumi, e quindi dei costi e delle emissioni inquinanti, rispetto a una generazione separata di energia elettrica e termica.

11

Esiste una relazione tale che all’aumento della dimensione di un impianto corrisponde una diminuzione del costo medio unitario dell’impianto stesso.

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possono alimentare con energia termica dei gruppi ad assorbimento, per la produzione di freddo. Tale pratica prende il nome di trigenerazione12.

2.3 L’efficienza energetica in Italia A ciascuno degli Stati membri compete il ruolo fondamentale di introdurre le politiche, in materia di efficienza energetica, necessarie al raggiungimento dell'obiettivo del -20% nel fabbisogno di energia primaria. In Italia, al fine di rendere operative le misure per l’efficienza energetica, sono stati introdotti degli strumenti di incentivazione, tra i quali il meccanismo dei Certificati Bianchi e il sistema per lo scambio di quote di emissione di gas serra (Emissions Trading System, ETS13). L'Italia, data l’assenza di risorse primarie nel proprio territorio, ha da sempre dovuto ponderare i propri consumi e questo lo ha reso oggi uno dei Paesi dell’area OCSE a più elevata efficienza energetica, con un consumo finale di energia per abitante tra i più bassi in Europa (pari a circa 2,4 tep/abitante, contro la media europea di 2,7 tep/abitante).

La Commissione europea, vista la necessità di aumentare gli sforzi rivolti al miglioramento dell'efficienza negli usi finali dell'energia, ha emanato nel 2006 la Direttiva 32/06. Il recepimento di tale Direttiva, in Italia, ha determinato l’approvazione di due piani strategici per l’efficienza energetica. Il primo Piano d’Azione nazionale per l’Efficienza Energetica (PAEE) è stato emanato nel 2007 e prevedeva un traguardo di risparmio al 2016 del 9,6% rispetto alla media annua dei consumi del quinquennio 2003-2007, con un obiettivo intermedio del 3% al 2010. I risultati conseguiti nel primo periodo (2007-2010) sono stati molto positivi e sono andati ben oltre le aspettative. Per 12

Particolare tipologia di sistema di cogenerazione che, oltre a produrre energia elettrica, consente di utilizzare l’energia termica recuperata per produrre energia frigorifera, grazie all’impiego di una macchina ad assorbimento. Come per i sistemi di cogenerazione, anche la trigenerazione offre grandi risparmi energetici, dovuti alla produzione congiunta di energia elettrica, energia termica ed energia frigorifera.

13

Il Sistema europeo di scambio di quote di emissione (European Union Emissions Trading Scheme - EU ETS) è la principale misura adottata dall’Unione Europea, in attuazione del Protocollo di Kyoto, per ridurre le emissioni di gas a effetto serra, nei settori più energivori. L'EU ETS è stato istituito dalla Direttiva 2003/87/CE ed è un sistema "cap&trade", in quanto fissa un tetto massimo (cap) alle emissioni totali consentite a tutti i soggetti vincolati dal sistema, ma consente ai partecipanti di acquistare e vendere sul mercato (trade) diritti di emissione di CO2, secondo le loro necessità, all'interno del limite stabilito.

Ogni quota dà diritto al rilascio di una tonnellata di biossido di carbonio equivalente e può essere venduta o acquistata. L'EU ETS prevede per gli impianti l’obbligo di rendere, alla fine dell’anno, un numero di quote d’emissione pari alle emissioni di gas serra rilasciate durante l’anno.

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il conseguimento del risultato globale è stato rilevante il contributo del settore residenziale, dovuto soprattutto a misure di incentivazione come le detrazioni fiscali del 55%14, riguardanti la ristrutturazione e riqualificazione energetica dell’edilizia esistente, in buona parte caratterizzata da prestazioni scadenti. Il secondo Piano è stato approvato dalla Conferenza Stato - Regioni15 nel 2011. Esso estende la pianificazione fino all’anno 2020 e rimarca il ruolo dell’efficienza energetica come strumento imprescindibile di riduzione dei consumi, per il raggiungimento dell’ambizioso traguardo del -20% al 2020. Il PAEE-2011 è in continuità con il primo piano, dato che mantiene l’obiettivo quantitativo di riduzione dei consumi al 2016 del 9,6%, ma, rispetto alla versione del 2007, presenta alcune novità. Il suo campo di applicazione, infatti, è stato esteso ad altri settori, come la generazione e la trasmissione di energia, ed include gli interventi promossi, in materia di efficienza energetica, da Regioni e Comuni, oltre ad osservazioni e suggerimenti generici per gli enti locali italiani, che non erano presenti nel vecchio piano, inerenti soprattutto al riscaldamento e all’illuminazione pubblica, per una gestione attenta e una progressiva sostituzione delle apparecchiature obsolete.

Inoltre, si è cercato di conciliare il più possibile il Piano d'azione sull'efficienza energetica 2011 ad un altro strumento, il Piano d'azione sulle fonti rinnovabili, allo scopo di mettere in relazione le politiche sulle Rinnovabili con le politiche di efficienza energetica.

Il nuovo PAEE punta principalmente nelle seguenti direzioni: 

i risparmi energetici nell’edilizia (edifici esistenti o di futura costruzione ad alta efficienza);



interventi tecnologici e organizzativi nel settore dei trasporti;



l’efficientamento energetico nei servizi (miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici, ottimizzazione del condizionamento e dell’illuminazione, ecc.);

14

Dal 6 giugno 2013, data di entrata in vigore del Dl 63/2013, al 31 dicembre 2013, per gli interventi di riqualificazione energetica di edifici già esistenti spetta una detrazione del 65%. Dal 1° gennaio 2014 la detrazione sarà del 36%, cioè quella ordinariamente prevista per i lavori di ristrutturazione edilizia.

15

La Conferenza permanente per i rapporti tra lo Stato, le Regioni e le Province autonome di Trento e Bolzano, detta brevemente Conferenza Stato-Regioni, è un organo collegiale italiano finalizzato alla collaborazione istituzionale tra lo Stato e le autonomie locali. La Conferenza è composta dal presidente del Consiglio, dal ministro per gli Affari regionali, dai presidenti di tutte le regioni italiane e le province autonome, eventualmente dai ministri interessati agli argomenti iscritti all'ordine del giorno e da rappresentanti di amministrazioni dello Stato e di enti pubblici.

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

l’efficientamento energetico nell’industria (interventi finalizzati al recupero dei cascami termici, cogenerazione ad alto rendimento, sostituzione delle vecchie apparecchiature con altre più efficienti, ecc.);



lo sviluppo del meccanismo dei certificati bianchi.

Il PAEE 2011 include anche dei “criteri ambientali minimi”, da introdurre nelle varie procedure d’appalto pubbliche, per alcune categorie di prodotti, servizi e lavori, individuati come prioritari, in relazione sia all’entità degli impatti ambientali, sia al volume di spesa pubblica coinvolti.

Per quanto riguarda i punti di debolezza del piano, si osserva che una parte consistente delle misure previste sono legate a meccanismi di incentivazione non strutturali e che, pertanto, sarebbe necessario definire un sistema di incentivazione stabile ed economicamente sostenibile, in assenza del quale risulterà complicato raggiungere il traguardo che la strategia energetica europea ha stabilito per il 2020.

Capitolo III 3.1 Energy Management In seguito alla crisi petrolifera del 1973, si comprese che la situazione energetica avutasi fino ad allora, caratterizzata da un’enorme disponibilità di idrocarburi a costi bassi, era destinata a venir meno negli anni successivi, a causa sia della progressiva riduzione della disponibilità che del conseguente aumento dei prezzi. Questo avvenimento scosse i Paesi industrializzati, i quali cercarono di correre ai ripari adottando strategie energetiche innovative, che sottolineavano l’importanza di utilizzare in modo razionale l’energia. Ciò diede impulso alla diffusione di figure professionali nuove, come quella dell’Energy Manager. In Italia, la figura dell’energy manager fu introdotta dalla Legge 10/91, al fine di promuovere il controllo dei consumi e la diffusione di buone pratiche di efficientamento energetico, presso i soggetti pubblici e privati caratterizzati da consumi importanti. La Legge 10/91 fissa anche le soglie oltre le quali diviene obbligatoria la nomina di un responsabile per la conservazione e l’uso razionale dell’energia. Per quanto riguarda le imprese del settore industriale, l’obbligo di dotarsi di un tecnico, che può essere un dipendente della stessa azienda o un consulente esterno purché sia in possesso delle adeguate competenze in campo energetico e impiantistico, è previsto per valori del consumo superiori a 10.000 tep, mentre questo limite è più basso per il settore terziario e la Pubblica Amministrazione, essendo pari a 1.000 tep. In genere l’energy

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manager si preoccupa di ottimizzare i consumi, attraverso una corretta regolazione e un appropriato utilizzo degli impianti, di ridurre i costi di acquisto di energia elettrica e di altri vettori energetici, tramite la pianificazione delle fonti da utilizzare e la gestione dei contratti di fornitura, di promuovere comportamenti energeticamente più consapevoli da parte del personale, di promuovere interventi mirati all’efficienza energetica e all’uso di fonti rinnovabili. Un’altro compito consiste nella verifica e nel controllo delle manutenzioni. Una delle principali difficoltà che un Energy manager può incontrare, nello svolgimento del proprio lavoro, è il doversi confrontare spesso con persone prive di conoscenze tecniche, il ché richiede capacità di esporre i concetti tecnici in modo semplice. In Italia, nonostante l’energia sia molto costosa e il suo costo incida in maniera preponderante sul sistema produttivo, le aziende hanno una cultura di Energy Management ancora in fase embrionale. In molte imprese energia elettrica e gas sono percepiti ancora come indispensabili voci di costo, sulle quali non è possibile intervenire, e non si mette quindi in atto nessuna politica di gestione dell’energia. La figura dell’Energy Manager ha molto spesso un ruolo prevalentemente formale, che non gli consente di promuovere strategie che riducano realmente i consumi dell’azienda, lungo i processi interni, e cogliere il potenziale di risparmio eventualmente presente.

Dopo aver avviato già da tempo procedure per la certificazione energetica degli edifici, un ulteriore passo in avanti nel processo di miglioramento dell’efficienza e di ricerca del risparmio energetico è stato compiuto dall’Unione nel dicembre 2012, grazie all’entrata in vigore della nuova direttiva comunitaria sull’efficienza energetica, la quale dovrà essere recepita dagli Stati membri entro il 5 giugno del 2014. Trattasi della Direttiva 2012/27/UE, la quale dedica l’intero articolo 8 alla diagnosi energetica, considerata uno strumento indispensabile per conseguire il miglioramento delle prestazioni termofisiche degli involucri edilizi e, soprattutto, ottenere risultati concreti in termini di risparmio e di abbattimento delle inefficienze, nel rispetto dei parametri fissati dal “Pacchetto Clima-Energia” e dalla Energy Roadmap 205016. La Direttiva introduce l’obbligatorietà per tutte le grandi imprese di sottoporsi, almeno una volta ogni 4 anni, ad un audit energetico, e l’obbligatorietà per le strutture pubbliche e le società fornitrici di energia e gas naturale di sottoporsi a interventi annuali di efficientamento. Inoltre, sollecita gli Stati membri affinché si incoraggino le piccole e medie imprese (PMI) ad effettuare anch’esse diagnosi energetiche, mantenendole comunque esenti da tale obbligo, e si 16

L’Energy Roadmap 2050 è un progetto, nato dalla necessità di definire delle strategie per il periodo successivo al 2020, con il quale l’Unione Europea ha assunto l’impegno di ridurre, di almeno l’80%, le emissioni di gas a effetto serra, entro il 2050. Esso costituisce una tabella di marcia verso un’economia a basse emissioni di carbonio (Low Carbon Economy), che assicuri al contempo il raggiungimento della sostenibilità nel lungo termine, la sicurezza dell’approvvigionamento energetico e la competitività, in linea con gli obiettivi ambientali ed economici della Comunità europea. Nella Roadmap, inoltre, la Commissione esamina le sfide da affrontare per conseguire l’obiettivo della decarbonizzazione e mostra possibili scenari di evoluzione del sistema energetico in Europa.

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provveda alla creazione di un sistema di garanzia e controllo della qualità delle diagnosi realizzate.

Spesse volte l’audit energetico viene confuso con la certificazione energetica. In effetti, le due procedure possiedono degli elementi comuni, come l’analisi dello stato di fatto della componente edilizia e impiantistica, la valutazione delle prestazioni energetiche, l’indicazione delle possibili azioni per migliorare l’efficienza globale. Tuttavia esistono notevoli differenze. Infatti, lo scopo principale della certificazione è quello di informare l’utente sulla qualità energetica dell’edificio: a partire dai dati disponibili sull’edificio esaminato, si ricava un indicatore energetico, solitamente espresso da un rapporto tra l’energia primaria consumata e la superficie o il volume utile (kWh/m2 anno o kWh/m3 anno), che viene poi associato ad una lettera da A a G, all’interno di una scala di classificazione che fornisce all’utente un metro di giudizio. L’energy audit si pone un altro obiettivo, ossia quello di capire, attraverso un’indagine sull’edificio, in che modo l'energia viene utilizzata e individuare le inefficienze, per proporre poi soluzioni che consentano di migliorare le prestazioni globali.

3.2 Energy Audit La diagnosi energetica o audit energetico è una valutazione sistematica, documentata e periodica della situazione energetica di un edificio, di una struttura industriale oppure di un servizio pubblico o privato, effettuata per ottenere un’adeguata conoscenza dei profili dei consumi energetici esistenti, allo scopo di identificare e quantificare opportunità di risparmio energetico. Essa viene svolta da un esperto in gestione dell'energia (EGE), in questo caso denominato anche “energy auditor”, che generalmente è dotato di un’ampia conoscenza in campo edilizio, energetico e impiantistico, secondo quanto previsto dalla norma UNI CEI 11339:2009, la quale stabilisce requisiti, competenze e mansioni di un EGE. Talvolta, con il termine auditor non si identifica necessariamente una persona ma, più in generale, la struttura che coordina e gestisce l’audit. Oltre alla qualifica professionale, è opportuno che l’auditor abbia acquisito una solida esperienza nei settori della progettazione energetica degli edifici, della progettazione energetica degli impianti meccanici ed elettrici, dell’energy management, che sia abituato a lavorare sul campo, che conosca le problematiche legate alla sicurezza e che possieda una buona qualità comunicativa. Quanto elencato costituisce un insieme di requisiti indispensabili per elaborare delle proposte che si dimostrino convenienti in caso di adozione.

La diagnosi energetica, attraverso la conoscenza dei profili dei consumi elettrici e termici del sistema indagato, permette all’esperto di risalire ad eventuali criticità e cause

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di sprechi. Tutto ciò allo scopo di individuare possibili interventi migliorativi, finalizzati alla riduzione dei consumi e dei costi, sulla base di una valutazione oggettiva della fattibilità tecnica ma anche e soprattutto della convenienza economica delle azioni proposte. Infine, l’ultima fase è rappresentata dall’attività di reporting, ovvero la restituzione analitica del lavoro fatto. Il report tecnico è il documento che informa il committente sui risultati ottenuti e sulle misure che possono essere implementate, in base a quanto emerso durante l’audit. Tale documento deve possedere requisiti di completezza, attendibilità, utilità, verificabilità, secondo quanto previsto dalla norma UNI CEI/TR 11428:2011, che regola la metodologia da seguire nonché la documentazione da produrre.

Figura 6. Schema semplificato di un processo di Energy Audit DEFINIZIONE DELLO SCOPO

ACQUISIZIONE DELLA DOCUMENTAZIONE

RILIEVI SUL CAMPO

VALUTAZIONE DEGLI INTERVENTI

ELABORAZIONE DEL REPORT TECNICO

Il processo di auditing rappresenta quindi lo strumento più efficace per promuovere, in modo concreto, iniziative di riqualificazione energetica sul patrimonio edilizio esistente, mediamente caratterizzato da notevoli inefficienze, che si possono e si devono evitare.

L’energy audit può essere realizzato secondo differenti livelli operativi, in base alle risorse economiche del committente, alla reperibilità delle informazioni, agli obiettivi e

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al grado di approfondimento dell’indagine che ci si prefigge di raggiungere. I margini di risparmio che un piano di interventi per il miglioramento dell’efficienza energetica potrebbe garantire sono naturalmente tanto maggiori quanto maggiori sono le dimensioni della struttura esaminata. Ciò non dipende solo dal fatto che la spesa energetica media di un grande edificio o industria è decisamente superiore a quella di uno di dimensioni più ridotte, ma anche dalla complessità che spesso caratterizza i consumi energetici delle strutture più grandi e dalle più numerose forme e modalità di impiego dell’energia, richieste dalle normali attività. Anche la durata dell’audit energetico varia in funzione della volumetria dell'azienda e della complessità dei processi. Occorre fare una distinzione tra auditing civile e auditing industriale. Nel primo, si indaga prevalentemente sull’involucro e sui sistemi impiantistici finalizzati al mantenimento del comfort. Nell’auditing industriale, è il ciclo produttivo ad incidere in maniera preponderante sui consumi energetici e dunque costituisce l’oggetto dell’indagine. Inoltre, l’indagine può essere estesa a tutti i sistemi impiantistici ed edilizi che consumano energia o si può avere l’esigenza di indagare solo su una parte degli impianti e del complesso.

3.3 Documentazione da raccogliere per la diagnosi Per effettuare un valido audit energetico, per prima cosa è indispensabile un accurato sopralluogo presso il sito oggetto della diagnosi. Nel corso di tale perlustrazione generale l’auditor provvede al reperimento dei dati sull’edificio e sulla gestione impiantistica. La documentazione da richiedere al committente può essere di tipo tecnico o di tipo gestionale. La documentazione tecnica fornisce informazioni essenziali sull’illuminazione, sulle apparecchiature di sollevamento e forza motrice, sull’eventuale autoproduzione di energia da fonti rinnovabili, sugli impianti di riscaldamento, di climatizzazione estiva, di distribuzione del calore, di produzione di acqua calda, e così via. La documentazione gestionale è utile allo studio delle prestazioni energetiche dell’edificio o dell’impianto, che possono essere valutate partendo dai consumi energetici, o di altre risorse, rilevati e desumibili dalle bollette. È proprio da questi dati, infatti, che è possibile verificare il comportamento reale di un edificio o di un impianto e, sulla base di questo, individuare fin da subito le criticità e quindi i potenziali margini di miglioramento. I consumi energetici possono essere influenzati da fattori esterni, come per esempio la localizzazione geografica e il clima, il quale può variare di anno in anno. Pertanto, una corretta stima delle prestazioni energetiche deve considerare un periodo di tempo sufficientemente lungo, che di norma va da uno a 3 anni.

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Documentazione di tipo tecnico:

Documentazione di tipo gestionale:

 dati geometrici, planimetrie, piante, sezioni e prospetti dell’edificio;

 bollette dei consumi di combustibili o di energia termica;

 dati sulle caratteristiche termofisiche e strutturali dell'edificio;

 bollette dei consumi di energia elettrica;  bollette dei consumi di altre risorse (per esempio acqua);

 schemi impiantistici;  caratteristiche tecniche dei componenti impiantistici (potenze nominali, consumi orari, rendimenti, ecc.)

 modalità operative della gestione (giornate lavorative, orari di funzionamento, livelli di temperatura, fattori di utilizzo, ecc.).

 relazioni tecniche nelle quali siano contenute informazioni utili.

Una volta terminato il sopralluogo, l’energy auditor si dedica alla rielaborazione degli elementi raccolti e alla ricostruzione del profilo dei consumi, per la stesura di un quadro completo sull’energia utilizzata. Il dato relativo ai consumi complessivi di energia o di altre risorse, tuttavia, non è sufficiente per comprendere se un edificio o un impianto consuma tanto o poco. Da qui la necessità di ricorrere al calcolo di indicatori di consumo specifici17, espressi per esempio in kWh/m2 anno o kWh/m3 anno, da confrontare con valori di riferimento ricavati direttamente dalla letteratura tecnica, per la stessa tipologia di edificio e stessa destinazione d’uso, così da poter verificare fin da subito se i consumi per quel tipo di utenza sono alti o bassi.

Dopo aver identificato, grazie allo studio svolto, le eventuali cause di inefficienze, di tipo strutturale, impiantistico o comportamentale, l’esperto redige un piano di azione, nel quale vengono elencati dei possibili interventi mirati alla riduzione dei consumi e dei costi. Tali interventi possono implicare la sostituzione di componenti e sistemi, operazioni di manutenzione straordinaria, ma anche misure che non richiedono un investimento iniziale, perché riguardano suggerimenti per ottimizzare la gestione degli impianti e per sensibilizzare il personale ad un uso più consapevole dell’energia. Per ciascuna delle azioni proposte, viene calcolato il risparmio energetico annuale atteso, il

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Rapporto tra una quantità misurata in un determinato intervallo di tempo, per esempio un mese o un anno, e una grandezza oggettiva, per esempio la superficie o il volume dell’edificio preso in esame.

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conseguente risparmio economico annuale atteso e i tempi di ritorno degli investimenti, fornendo la dimostrazione della loro fattibilità tecnico-economica. Nella valutazione economica, spesso gli incentivi giocano un ruolo importante, in quanto possono far diventare conveniente un intervento che, senza incentivi, può non esserlo. Alcuni tipici interventi di riqualificazione energetica possono essere per esempio:         

la modifica dell'involucro esterno dell’edificio per un maggiore isolamento termico; la modifica dei contratti di fornitura di energia finalizzata a renderli più vantaggiosi; l’installazione di sistemi illuminanti ad alta efficienza e basso consumo; l’installazione di motori ad alta efficienza e di inverter; l’installazione di sistemi di cogenerazione e trigenerazione per ridurre gli sprechi di energia termica; l’installazione di impianti di produzione di energia da fonte rinnovabile; l’adozione di generatori termici ad elevata efficienza (pompe di calore, caldaie a condensazione, ecc.); l’installazione di recuperatori di calore nel processo produttivo; l’installazione di sistemi di regolazione intelligente degli impianti.

Lo scopo di un Energy Audit, tuttavia, non dovrebbe esaurirsi nella redazione del report, ma dovrebbe andare oltre, fino a concretizzarsi nella realizzazione degli interventi. Si pone, però, il problema del reperimento delle risorse finanziarie, per il quale le possibilità sono due: l’autofinanziamento, nel caso in cui il committente dispone di adeguate risorse economiche, o il ricorso ad una E.S.Co. (Energy Service Company).

3.4 Società di servizi energetici Le E.S.Co. (Energy Service Company), o società di servizi energetici, sono un modello di impresa nato negli Stati Uniti verso la fine degli anni ’70, a seguito della crisi energetica, che aveva provocato bruschi aumenti dei prezzi dell'energia, con l'obiettivo di ottenere un beneficio finanziario attraverso il miglioramento dell'efficienza energetica dei sistemi dei propri clienti, che producono o consumano energia. Le ESCo sono società che si occupano sia di progettare che di finanziare le diverse tipologie di intervento finalizzate ad un miglioramento dell’efficienza energetica, scommettendo il proprio denaro sull'efficacia delle tecnologie implementate. Le ESCo, in particolare, si sono specializzate nella realizzazione di tutti quegli interventi che generano risparmi di energia e che di conseguenza danno diritto ai Certificati Bianchi. Quest’ultimi vengono rivenduti sul mercato dei Titoli di Efficienza Energetica e costituiscono per una ESCo il

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mezzo principale per fare utili. La procedura con cui le ESCo operano solitamente include le seguenti fasi: diagnosi energetica, definizione del contratto, studio di fattibilità, progettazione, fornitura degli impianti e installazione, monitoraggio, esercizio e manutenzione. Una ESCo si impegna a coprire il costo iniziale dell’installazione, assumendosene il relativo rischio finanziario, e i costi di gestione, manutenzione, monitoraggio e verifica, per tutta la durata del contratto, offrendo al cliente un servizio globale a “costo zero”. Il cliente, da parte sua, sollevato dalla necessità di reperire le risorse finanziarie per realizzazione dei progetti, ripaga i servizi forniti tramite la cessione parziale o totale del risparmio ottenuto rispetto alla spesa energetica media preintervento. La remunerazione di una ESCo, quindi, è strettamente legata alla quantità di energia risparmiata, in relazione all'investimento fatto. I risparmi economici, ottenuti grazie agli interventi realizzati, vengono condivisi col cliente con diverse forme di accordo commerciale, la cui durata è compresa usualmente fra i tre ed i sette anni. Le tre tipologie di contratto più diffuse note sono il contratto a cessione globale limitata, il contratto a risparmio condiviso ("shared saving") e il contratto a risparmio condiviso con quota garantita ("guaranteed saving"). Il primo prevede che il cliente riconosca alla ESCo la totalità dei risparmi per un numero limitato di anni, stabilito contrattualmente (in genere 3-4 anni). Qualora gli impianti realizzati non abbiamo offerto le prestazioni previste e non abbiano ripagato il costo del progetto nei termini preventivati, la perdita è a carico della ESCo. Quest’ultima conserva la proprietà degli impianti installati fino alla scadenza del contratto; trascorso tale termine la proprietà è trasferita al cliente.

Con il contratto a risparmio condiviso il committente partecipa fin dall’inizio ai benefici economici indotti dagli interventi effettuati dalla ESCo. I due contraenti si suddividono i risparmi conseguiti in modo percentuale, con quote possono essere costanti per tutto il periodo del contratto oppure possono essere soggette a variazioni. Si ha dunque un risultato economico variabile per entrambi. I contratti a risparmio condiviso, detti anche shared saving, hanno una durata tipica tra i 5 e i 7 anni. Anche in questo caso la ESCo si fa carico di tutti i rischi connessi al recupero del capitale investito e detiene la proprietà degli impianti realizzati fino alla scadenza del contratto; risolto il medesimo, è il cliente a diventare proprietario. Dato che il guadagno è condiviso, con questa formula contrattuale anche il cliente è incentivato a concorrere alla riduzione degli sprechi, massimizzando così i benefici economici indotti.

Il contratto a risparmio condiviso con quota garantita è una variante del contratto a risparmio condiviso. In questo caso, la ESCo garantisce al committente una quota fissa di risparmio energetico e il suo corrispettivo economico. Il risparmio energetico garantito è la quota del risparmio energetico che la ESCo si impegna a riconoscere al cliente, indipendentemente dall’effettivo risparmio che riesce a realizzare. Dunque il cliente ha benefici certi, mentre i ricavi della ESCo sono variabili.

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In sintesi, fare affidamento ad una ESCo presenta per il cliente il vantaggio di non richiedere alcun investimento a suo carico e nessuna particolare competenza tecnica, avendo la certezza di poter disporre di un impianto riqualificato e poter risparmiare anche dopo la fine del contratto.

Trattandosi spesso di interventi molto costosi, a volte è necessaria la presenza di un terzo soggetto, cioè una banca o una società finanziaria, che renda disponibili i capitali iniziali e finanzi le operazioni. Questo meccanismo prende il nome di finanziamento tramite terzi (FTT). Solitamente è la stessa ESCo ad avere un suo interlocutore bancario privilegiato, riuscendo così a garantire al suo cliente la soluzione completa del problema, sia dal punto di vista tecnico che finanziario. In questo caso la responsabilità ufficiale è completamente della ESCo, ma può avvenire il contrario, e cioè che la ESCo intervenga solo per la parte tecnica.

L’Unione Europea considera il ricorso ai servizi delle ESCo come lo strumento più efficace per migliorare l’efficienza e ridurre i consumi, in tutte quelle situazioni nelle quali l’utente finale non disponga di proprie risorse finanziarie o della competenza specifica per realizzare direttamente interventi di efficientamento. In particolare, le società ESCo rappresentano una possibilità e un supporto per le piccole e medie imprese, che intendono eseguire un audit energetico e realizzare progetti di riduzione dei consumi e dei costi energetici, ma che non dispongono di sufficienti somme di denaro. I vantaggi per l'utente, infatti, sono molteplici:     

l'assenza di rischi finanziari (in caso di intervento sbagliato e non remunerativo chi ci rimette è la ESCo); l'opportunità di realizzare interventi anche in mancanza di risorse finanziarie proprie ed in presenza di difficoltà nel reperire finanziamenti esterni; la liberazione dalle problematiche connesse alla gestione e alla manutenzione dell'impianto; la disponibilità di risorse interne per altre finalità; la possibilità di conseguire benefici energetico-ambientali consistenti, tenuto conto del fatto che i profitti della ESCo, in un contratto ben realizzato, sono proporzionali all'efficienza dell'impianto.

La presenza all'interno della società beneficiaria di persone competenti riguardo al tipo di intervento proposto (ad esempio l'energy manager), o la consulenza di opportune figure esterne, permettono all'utente di valutare meglio l'offerta della ESCo e i vantaggi energetici ed economici conseguibili. Un'interazione costruttiva consente alla società di servizi energetici di conoscere e individuare più adeguatamente le problematiche aziendali, i rischi e le possibilità di superarli, evitando di limitare o addirittura vanificare i benefici possibili.

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A seguito del forte impulso fornito dalla Direttiva 2006/32/CE sull'efficienza negli usi finali dell'energia, queste società si sono diffuse anche in Italia. I requisiti per la erogazione dei servizi energetici vengono dettati dalla norma italiana UNI CEI EN 15900:2010.

Capitolo IV 4.1 L’azienda “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.”

Dopo aver tracciato un quadro complessivo dei consumi energetici mondiali, europei e nazionali, aver evidenziato il valore dell’efficienza energetica e il ruolo che quest’ultima rivestirà nei prossimi anni, aver illustrato quelle che sono le varie fasi, le caratteristiche e l’utilità di un Energy Audit, viene adesso presentato un caso pratico, prendendo come oggetto di studio l'azienda industriale “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.”. Essa nasce alla fine degli anni ’80 come società costruttrice di una vasta gamma di serbatoi per usi civili e industriali, destinati alle più svariate esigenze di accumulo e stoccaggio, e conosce un grande sviluppo durante gli anni ’90. Forte dell'esperienza acquisita nel corso degli anni, la “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.” ha cominciato ad operare a livello internazionale e ha ampliato la propria produzione mediante l'installazione di un’apparecchiatura da slitter per la spianatura della Immagine 1 - Logo dell'impresa “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.” lamiera, di un apparato per la realizzazione di tubi spiralati, di un moderno impianto di sabbiatura per la preparazione delle superfici prima dell'applicazione di ogni tipo di rivestimento esterno e di un impianto di zincatura a caldo, per il trattamento superficiale dei metalli, inaugurato nel 2000. All'interno dei vari stabilimenti produttivi vengono realizzati anche altri prodotti a completamento degli stessi manufatti, quali flange, passi uomo e pezzi speciali. Oggi l’azienda occupa

Immagine 2 - Ingresso principale dell'azienda

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un’area di circa 36.500 mq, all’interno della zona industriale di Caltanissetta, in via S. Averna 40. L’Energy Audit si può articolare in forme diverse, differenti tra loro per la complessità e per l’impegno tecnico ed economico, e può avere come oggetto l’intera impresa o solo una parte di essa. In questa trattazione, lo studio è stato circoscritto alla sola zincheria. L’impianto di zincatura è situato all’interno di un capannone dalla pianta rettangolare, lungo circa 73 m e largo 28 m (Immagine 3, evidenziato in giallo).

Immagine 3 - A sinistra viene mostrata una vista dall’alto dell'intera azienda. A destra è possibile osservare la planimetria generale e l’ubicazione del capannone della zincheria, colorato in giallo

4.2 La corrosione dell’acciaio L'acciaio, lega di ferro e carbonio, è un materiale parecchio usato nell’industria, ma ha il grande problema di essere molto vulnerabile alla corrosione. Per corrosione si intende il graduale deterioramento di un materiale, causato dall’interazione chimico-fisica con l’ambiente circostante. In natura il ferro, come tanti gli altri metalli, è generalmente presente sotto forma di ossidi e sali. Dai minerali viene estratto mediante processi metallurgici che lo portano ad uno stato energetico più elevato rispetto a quello di partenza, condizione che genera instabilità termodinamica. Pertanto, il ferro e gli altri

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metalli tendono a tornare spontaneamente alla forma naturale di origine, a più bassa energia e maggiore stabilità, e ciò avviene proprio attraverso la corrosione. Il fenomeno, oltre ad essere favorito dalla termodinamica, presenta anche una cinetica comunemente veloce negli ambienti normali di utilizzo, a causa di condizioni favorevoli di temperatura e presenza di sostanze attivanti quali acidi ed inquinanti. Se si indaga sulle caratteristiche chimico-fisiche dei metalli, si scopre che essi tendono a delocalizzare sull'intera struttura metallica gli elettroni più esterni. In tal modo, essi possono essere facilmente catturati da specie chimiche che tendono ad acquistare elettroni. Quando si verifica tale perdita, nel metallo si manifesta una repulsione elettrostatica tra cariche positive in eccesso, che provoca il distacco di ioni positivi dal corpo metallico per ripristinare la preesistente condizione di neutralità. Si innesca, così, un progressivo processo di corrosione. La corrosione è dunque determinata da fenomeni elettrochimici che si instaurano tra materiali, di cui alcuni ossidandosi, ossia perdendo elettroni, vengono corrosi e altri, gli agenti di corrosione, acquistano tali elettroni riducendosi. Di volta in volta è necessario confrontare i cosiddetti potenziali standard di riduzione18 dei materiali in questione, per determinare quale specie sarà corrosa e prevedere l'entità di tali fenomeni. Tanto più grande è la differenza di potenziale quanto più intensa sarà la corrosione. Per i metalli e l’acciaio, la corrosione comporta la progressiva perdita delle caratteristiche meccaniche, funzionali e strutturali. L’impiego crescente dell’acciaio nei più svariati settori e la necessità di risparmiare risorse (materie prime ed energia) impone quindi l’adozione di difese contro la corrosione, affinché le opere realizzate siano preservate efficacemente dai rischi di deterioramento, per l’intera vita utile.

Le strategie più utilizzate per la protezione dell’acciaio sono essenzialmente di due tipi: la protezione passiva, che consiste nella separazione della superficie metallica dall'ambiente aggressivo, attraverso l'impiego di un rivestimento protettivo che agisce da barriera, e la protezione attiva, che dipende dalle proprietà chimiche ed elettrochimiche del materiale anticorrosivo utilizzato. Per quanto riguarda il primo 18

I potenziali standard di riduzione esprimono la tendenza di una coppia redox a subire il processo di riduzione. Tale valore viene calcolato scegliendo come elettrodo di riferimento un elettrodo standard ad idrogeno, cui è stato attribuito convenzionalmente il potenziale zero. Collegando a questo elettrodo le varie semi-pile da confrontare è possibile misurare la forza elettromotrice della pila, che viene assunta come valore del potenziale standard di riduzione della coppia redox considerata. Poichè la forza elettromotrice dipende dalla temperatura e dalla concentrazione dei reagenti e dei prodotti, convenzionalmente si è deciso di effettuare le misure alla temperatura di 25°C e pressione di 1 atm, con le specie chimiche alla concentrazione 1 M. Viene attribuito un potenziale standard di riduzione positivo a tutte le coppie redox che subiscono riduzione rispetto all'elettrodo standard ad idrogeno; viene attribuito un potenziale standard di riduzione negativo a tutte le coppie redox che subiscono ossidazione rispetto all'elettrodo standard ad idrogeno. La valutazione dei potenziali standard è molto utile per determinare se una reazione redox possa avvenire in maniera spontanea o meno. Le specie chimiche che possiedono potenziale più alto tendono a ossidare quelle a potenziale più basso.

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metodo, dato che, per avvenire le reazioni di corrosione in atmosfera con conseguente formazione di ruggine, occorre che ci sia l'esposizione della superficie all'azione dell'ossigeno e delle soluzioni saline conduttive, l’inconveniente viene risolto semplicemente evitando il contatto tra la superficie e gli agenti aggressivi dell'ambiente esterno, mediante l'applicazione di un sottile strato impermeabile. L'esempio più comune è la verniciatura, che prevede la deposizione sulla superficie dell’acciaio di un rivestimento organico, la vernice appunto. Per poter essere efficace, esso deve essere continuo, impermeabile alle specie aggressive, resistente alle abrasioni, inerte alle interazioni chimiche, aderente al substrato e durevole nel tempo. Anche uno strato di rivestimento metallico continuo ed uniforme può offrire una protezione di tipo passivo.

I metalli utilizzati si caratterizzano per velocità di corrosione molto basse, così da riuscire a proteggere durevolmente l'acciaio sottostante.

Per ovviare agli inconvenienti che si riscontrano con l’uso di film protettivi con sola protezione passiva, per i quali generalmente basta qualche difetto perché venga meno la sua funzione di barriera, si ricorre a rivestimenti metallici in grado di fornire anche una protezione attiva. La maggior parte dei metalli è inadatta, perché essi sono per lo più soggetti a corrosione molto rapida o comportano elevati costi di processo. Inoltre, soltanto alcuni metalli, se sottoposti a processi metallurgici, sono in grado di formare composti intermetallici con il ferro dell'acciaio di base, garantendo al rivestimento uniformità e adesione. L'unico metallo con cui possono essere ottenuti, a costi contenuti, rivestimenti continui sulla superficie dell'acciaio, rispondenti alle condizioni richieste di aderenza al substrato, impermeabilità, tenacità, flessibilità, resistenza all'abrasione ed alla corrosione chimica è lo zinco, sia nel caso di elementi di pochi grammi che per componenti strutturali di grandi dimensioni. Lo strato di zinco che si forma sull’acciaio non è semplicemente deposto, come avviene con le vernici o i rivestimenti elettrolitici, in quanto lo zinco si lega intimamente all’acciaio, per mezzo di una reazione metallurgica. Il rivestimento così ottenuto esplica una doppia funzione: forma una barriera, che isola la superficie dell’acciaio dall'attacco degli agenti atmosferici (effetto barriera), e svolge una protezione attiva per azione elettrochimica (protezione catodica).

Infatti, nel contatto tra l’acciaio e lo zinco, quest’ultimo, essendo meno elettronegativo del ferro, si comporta da anodo, ossidandosi in luogo dell'acciaio. Questa protezione attiva fa sì che, in caso di scalfitture, graffi e piccole aree scoperte, lo zinco circostante protegga l’acciaio, “sacrificandosi” al suo posto. I prodotti della corrosione dello zinco, inoltre, formano sulla sua superficie uno strato molto sottile ma compatto, detto strato di passivazione, fatto di carbonati ed ossidi, che si oppongono alla ulteriore corrosione degli strati superficiali sottostanti e tendono a sigillare eventuali difetti presenti, bloccando il procedere della degradazione. In altre parole, il rivestimento tende a passivarsi e ciò determina la lunga durata della protezione offerta dalla zincatura

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dell’acciaio. La velocità di corrosione dello zinco si riduce gradualmente, man mano che questo strato di passivazione naturale si ispessisce, così che tale processo dissolutivo risulta molto lento, quasi impercettibile.

Ragioni economiche, tecniche e di affidabilità portano, dunque, alla scelta dello zinco per munire l’acciaio di una protezione attiva. Tale protezione viene realizzata attraverso un particolare processo industriale, che prende il nome di zincatura o galvanizzazione.

Tra le diverse metodologie con cui questa può avvenire, quella operata presso lo stabilimento preso qui in esame è la zincatura a caldo. Modificata e perfezionata nel tempo, è attualmente uno dei più efficaci e tecnicamente avanzati metodi per la protezione contro la corrosione. Il rivestimento dato dalla zincatura a caldo può durare anche per più di mezzo secolo, facendo sì che per decadi non sia richiesta alcuna spesa per la manutenzione (Figura 7).

Figura 7. Durata tipica del rivestimento di zinco fino alla prima manutenzione19, per diverse categorie di ambienti e relative velocità di corrosione 200

Atmosfera industriale aggressiva (4 - 8 μm/anno)

175 150 Spessore del rivestimento, μm

Atmosfera industriale moderata o marina (2 - 4 μm/anno)

125 100

Atmosfera urbana (0,4 - 2 μm/anno)

75 50

Atmosfera rurale (0,1 - 0,7 μm/anno)

25 0 0

10

15 30 40 50 60 70 80 Durata fino alla prima manutenzione, anni

19

90

100

Intervallo di tempo che trascorre dal momento in cui si applica il rivestimento iniziale fino al momento in cui il deterioramento del rivestimento stesso rende necessarie operazioni di manutenzione per il ripristino della protezione del metallo base.

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In ambiente atmosferico, la formazione e la stabilità dello strato di passivazione dipendono prevalentemente dall’acidità, dalla quantità e dalla natura delle sostanze inquinanti. L’atmosfera rurale è ideale per la zincatura, data la bassa presenza di inquinanti. Nelle aree ad elevata concentrazione industriale e nei centri urbani, invece, l’aria è contaminata da numerose sostanze chimiche aggressive. In particolare, l’anidride solforosa (SO2) produce degli acidi che reagiscono con la pellicola di ossido, idrossido e carbonato di zinco, determinando la trasformazione dello strato di passivazione in sali idrosolubili e l’avanzamento progressivo della corrosione. Negli ambienti marino-costieri, la resistenza della zincatura è influenzata dalla presenza di cloruro di sodio, sottoforma di soluzione salina in sospensione nell’aria. I cloruri, tuttavia, aggrediscono la superficie zincata in modo assai più blando e con effetti corrosivi molto meno rilevanti di quelli degli ossidi di zolfo.

La norma che regola la zincatura a caldo è la UNI EN ISO 1461:2009, la quale definisce i requisiti del contenuto della fusione di zinco utilizzata, la sua composizione chimica, la condizione superficiale (finitura e rugosità) che il metallo base deve avere, fornisce delle linee guida e raccomandazioni riguardo l'aspetto, lo spessore, la finitura superficiale del rivestimento. Le proprietà fisico-meccaniche dello strato protettivo applicato sui prodotti di acciaio risultano fortemente influenzate dalle condizioni con cui si opera.

4.3 Processo di zincatura a caldo Il processo di galvanizzazione a caldo, che costituisce molto spesso l’ultima fase della produzione, avviene mediante un ciclo discontinuo, composto da diverse fasi.

L’impianto di zincatura è formato essenzialmente da una serie di 10 vasche adiacenti, tutte rettangolari e uguali fra loro per dimensioni e caratteristiche costruttive; da un essiccatoio, costituito da una fossa con coperchio scorrevole; da un forno per la zincatura vera e propria, al cui interno è contenuta la vasca piena di zinco fuso; da un’ulteriore vasca piena d’acqua per il raffreddamento e da tutti gli impianti accessori.

Una volta trasportati dentro la zincheria, i pezzi da trattare vengono agganciati ad un telaio per mezzo di apposite attrezzature, come catene o fil di ferro, e sollevati con un carroponte a due paranchi. Quest’ultimo posiziona il telaio sopra un carro trasbordatore che, scorrendo su delle rotaie, lo sposta dalla zona di carico alla zona di pretrattamento, dinanzi alla prima vasca. Lì il telaio viene issato da un altro carroponte, che permette la movimentazione dei pezzi da un bagno di trattamento all’altro. Ciascuna vasca è lunga 7 m, larga 2 m e profonda 2,5 m ed è destinata ad una specifica fase del processo.

Dopo essere stato assicurato alle strutture che ne consentono la movimentazione, si provvede quindi alla preparazione della superficie del manufatto di acciaio. La

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superficie dell’acciaio, infatti, può presentare chiazze e strati di contaminanti di varia natura, quali ruggine e calamina20 prodotti dall’ossidazione, oli, grassi, saponi, vernici, scorie di saldatura o altri residui, prodotti delle precedenti lavorazioni, e altre sostanze estranee. Se questi non vengono accuratamente rimossi, provocano difetti nello strato protettivo, in corrispondenza delle aree interessate dalla loro presenza, a causa del mancato sviluppo dello strato di zincatura o della formazione di vistose bruciature nerastre, dovute alla presenza di residui combusti delle sostanze organiche portate a contatto con lo zinco fuso. Per evitare questi inconvenienti e per l’ottenimento di una zincatura di qualità occorre che la superficie da zincare sia perfettamente pulita, in modo che nessun contaminante si frapponga nel contatto tra il ferro nella sua forma metallica e lo zinco fuso, al momento dell’immersione. È indispensabile, quindi, che i manufatti da trattare subiscano un opportuno pre-trattamento, che consenta l’asportazione di impurità, sporco e strati di ossido, essenziale affinché la reazione metallurgica di formazione del rivestimento di zincatura abbia luogo. Per la loro rimozione si sottopone pertanto l’acciaio a dei particolari trattamenti chimici.

Immagine 4 - Schema dell'impianto di zincatura a caldo in dotazione all'azienda Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.

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La calamina è uno strato di ossido che si forma sulla superficie dei prodotti siderurgici durante le lavorazioni a caldo. Se si conservasse intatta ed aderisse saldamente all'acciaio, la calamina avrebbe una azione di protezione anticorrosiva, ma l'aggressione da parte degli agenti atmosferici ne causa l'indebolimento superficiale. L'umidità penetra nelle fenditure e reagisce con lo strato di ossido ferroso più vicino alla superficie dell'acciaio, determinando la formazione e la crescita di idrossidi ferrosi, che procurano il distacco della calamina. La zincatura a caldo non ha buone prospettive di riuscita in presenza di calamina.

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4.3.1 Sgrassaggio Per prima cosa i pezzi vengono immersi nella vasca di sgrassaggio, allo scopo di ottenere l’eliminazione delle tracce di vernici, degli oli e dei grassi, deposti sulla superficie durante la produzione e l’assemblaggio dei manufatti in acciaio. Il bagno di sgrassaggio contiene una soluzione alcalina a base di idrossido di sodio (30 – 40%), carbonati, silicati e fosfati di sodio, specifici tensioattivi superficiali e agenti di emulsione. La temperatura di esercizio varia tra i 40 e i 50 °C e il riscaldamento della vasca avviene mediante delle serpentine percorse da acqua calda, che viene prodotta da una comune caldaia a gas. Il tempo richiesto per questo processo dipende dalle caratteristiche del bagno, dalla forma e dalle dimensioni del pezzo. Il movimento relativo del manufatto di acciaio rispetto alla soluzione permette di ridurre la durata dello sgrassaggio e di migliorarne l’efficacia. Lo stadio si reputa ultimato quando le superfici metalliche sono completamente bagnate.

4.3.2 Decapaggio Il successivo stadio di processo, il decapaggio, serve a rimuovere le incrostazioni, gli ossidi e la ruggine eventualmente presenti sui pezzi da sottoporre a zincatura. L’agente di decapaggio più utilizzato è l’acido cloridrico diluito (30%). La temperatura di esercizio ideale sarebbe 30°C, ma il processo viene fatto avvenire alla temperatura ambiente. L’impianto di zincatura è dotato di otto bagni di decapaggio, i quali talvolta possono essere caratterizzati da concentrazioni di acido leggermente differenti e appropriate allo stato superficiale presentato dai vari manufatti. La presenza di molte vasche di decapaggio consente di preparare contemporaneamente più pezzi, rendendo in questo modo meno discontinuo il processo e saturando la capacità di produzione del forno di Immagine 5 – Immersione di un manufatto in una vasca di decapaggio zincatura. La durata del bagno dipende dal grado di ossidazione del pezzo e deve essere sufficientemente lunga da permettere agli ossidi di ferro di reagire con la soluzione acida, così da formare FeCl2 e FeCl3. I cloruri di ferro sono facilmente solubili e questa loro caratteristica assicura che la superficie dell’acciaio venga ripulita del tutto dalla presenza della ruggine. Per prevenire un decapaggio eccessivo dei pezzi e per proteggere le vasche stesse, si

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aggiungono alla soluzione acida anche alcuni inibitori, che ne diminuiscono l’aggressività nei confronti del metallo. Durante il processo di decapaggio il contenuto di ferro del bagno aumenta, mentre la quantità di acido libero diminuisce, rendendo necessaria l’aggiunta di acido fresco, prima che si raggiungano concentrazioni di FeCl2 e FeCl3 eccessive e tali da far divenire impossibile il decapaggio. Le esalazioni gassose emesse dalle vasche di decapaggio vengono aspirate e, prima di essere rilasciate in atmosfera, trattate in una torre di lavaggio, dove i vapori acidi subiscono un processo di abbattimento dell’acido cloridrico, per irrorazione di acqua nebulizzata in controcorrente. La soluzione di acqua e HCl così ottenuta viene poi neutralizzata con soda caustica.

4.3.3 Flussaggio L'ultima fase del pretrattamento dell’acciaio è costituita dal flussaggio. Dopo essere stato ben lavato, per evitare il trascinamento di sostanze acide, il manufatto viene immerso in una vasca contenente una soluzione di sali quali il cloruro di zinco (ZnCl2) e il cloruro di ammonio (NH4Cl), quest’ultimo presente in una concentrazione del 40 60%. L’importanza del processo di flussaggio risiede nel fatto che i sali flussanti, in particolare il cloruro di zinco, formano un sottile film che contribuisce a proteggere dall’ossidazione la superficie metallica dell’acciaio, fintantoché il manufatto non viene immerso nello zinco fuso, preservando le parti, non ancora immerse, dalle interazioni con l’atmosfera. Inoltre, il cloruro di ammonio assicura una completa rimozione delle impurità eventualmente ancora presenti, come per esempio i cloruri di ferro rimasti sulla superficie del pezzo dopo il precedente decapaggio, ma provoca anche fumo, schiumature, ceneri e mattes21 durante il processo di rivestimento. Durante tutto lo stadio la temperatura della vasca di flussaggio viene mantenuta sui 30 - 40°C, sfruttando quella stessa acqua calda che viene utilizzata per il riscaldamento del bagno di sgrassaggio.

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Le mattes sono dei prodotti di scarto metallici, delle scorie, la cui composizione è assai variabile e non omogenea, che si despositano sul fondo del bagno di zinco liquido durante la zincatura per immersione a caldo.

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4.3.4 Essicazione e preriscaldamento Terminate le procedure di pulizia, il manufatto è sottoposto alla fase di essicazione e preriscaldamento, che completa il ciclo dei trattamenti necessari a predisporre le superfici dei materiali al processo metallurgico vero e proprio. L'umidità superficiale viene eliminata e la pellicola protettiva fornita dal flussaggio viene disidratata. Inoltre, preriscaldando si riduce il salto termico e quindi anche gli spruzzi ed le eiezioni di metallo nel momento dell'immersione nella vasca di zincatura, nonché si limitano le deformazioni causate dallo shock termico. Per di più, in tal modo, migliorano le condizioni della reazione zinco-ferro di formazione dello strato protettivo e si abbreviano i tempi di permanenza dei pezzi nel bagno Immagine 6 – Forno essiccatore ripreso mentre il coperchio di zinco. L’essiccazione dei scorrevole è chiuso manufatti viene effettuata in un apposito forno di asciugatura, costituito da una grande fossa con coperchio scorrevole, ampia abbastanza da poter ospitare contemporaneamente due telai. Al suo interno le temperature oscillano tra i 100°C e i 120°C. Temperature maggiori sono sconsigliate in quanto potrebbero provocare l’ossidazione del manufatto. Il calore necessario viene fornito dai gas di scarico in uscita dal forno di zincatura, i quali, ancora caldi, vengono aspirati da un ventilatore e inviati nell’essiccatoio, così da sfruttare parte del loro potenziale energetico prima che siano rilasciati nell’atmosfera.

4.3.5 Immersione nello zinco Dopo tutte le operazioni preparatorie si passa al vero e proprio processo di galvanizzazione. Il forno per la zincatura è collocato in prossimità dell’essiccatoio ed è costituito da una vasca (7 m x 2 m x 2,5 m) piena di zinco fuso, racchiusa all’interno di una struttura di contenimento in acciaio, che limita le dispersioni di calore e di fumi generatisi durante il processo metallurgico. Tale struttura di contenimento presenta due portelloni anteriori e due portelloni laterali. I primi si aprono per permettere ai manufatti già essiccati e preriscaldati di essere introdotti nel forno, calati lentamente e immersi nello zinco; i secondi, sollevandosi, permettono al personale di avvicinarsi alla vasca e di eseguire le manuali operazioni di rimozione della schiuma superficiale. Sia la vasca

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che le pareti sono fatte di un acciaio speciale, a basso tenore di carbonio, per essere poco reattive con lo zinco, e sono costruite in maniera tale da resistere agli elevati carichi idrostatici e agli stress termici. Inoltre, la vasca è circondata da materiale refrattario (mattoni e fibra ceramica) che funge da isolante termico.

Il riscaldamento del bagno, necessario a mantenere lo zinco costantemente allo stato liquido, si realizza per mezzo di otto bruciatori a gas a fiamma modulabile, ovvero regolabile in base alla necessità calorica, le cui lingue di fuoco lambiscono direttamente la pareti laterali della vasca. Un sistema di ventilazione provvede ad aspirare i cosiddetti fumi bianchi, rilasciati dalla vasca di zincatura durante il trattamento dei manufatti.

Questi fumi vengono essiccati mediante un piccolo bruciatore, posto lungo la condotta, poi privati delle particelle solide grazie ad un filtro a maniche ed infine rilasciati all’esterno. Un altro sistema di aspirazione, invece, preleva i fumi caldi della combustione (circa 600°C) e, in base alla necessità del momento, li invia nella vicina fossa per l’essiccazione o li libera direttamente nell’atmosfera attraverso il camino.

La temperatura dello zinco varia tra i 440 e i 460 °C, valori di poco superiori al suo punto di fusione, pari a circa 419,5°C. Tale intervallo di temperatura è il più comune nei processi di zincatura a caldo, in quanto è stato dimostrato essere il più favorevole al processo di formazione del rivestimento. Secondo le normative, il contenuto di zinco del bagno non deve mai essere inferiore al 98%, mentre il restante 2% è costituito da altri metalli, aggiunti in piccolissime quantità al fine di controllare la crescita dello spessore del rivestimento, l’uniformità dello strato, di migliorare la qualità estetica del prodotto finito e di migliorare la resistenza alla corrosione. Una tipica composizione del bagno è la seguente:     

zinco > 98.0 % in peso; piombo 1.0 % in peso; ferro 0.03 % in peso; alluminio 0.002 % in peso; tracce di altri metalli.

La presenza del piombo, in particolare, influenza le caratteristiche fisiche dello zinco, come la viscosità e la tensione superficiale, e ciò aiuta lo zinco a bagnare meglio l’acciaio e ne facilita il deflusso dalla superficie durante l’estrazione del manufatto dalla vasca. Durante l’immersione, la superficie del ferro lentamente si libera dai sali di flussaggio, che per le alte temperature scorificano. L’acciaio, privo di strati di ossido, reagisce con lo zinco, determinando la formazione del rivestimento per reazione intermetallica tra la fase solida (ferro dell’acciaio) e la fase liquida (zinco). Lo zinco diffonde all’interno della superficie dell’acciaio, formando una serie di strati di leghe a tenore di zinco crescente verso l’esterno e differente struttura cristallina. Per questa

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ragione, il rivestimento di zincatura risulta come “saldato” sulla superficie dell’acciaio, con evidenti vantaggi rispetto agli altri trattamenti anticorrosivi, che implicano la semplice sovrapposizione di metalli o di rivestimenti organici. I pezzi da zincare vanno lasciati in immersione finché non raggiungono la Immagine 7 – Sezione trasversale del rivestimento di zinco temperatura del bagno e non si sull’acciaio completa la reazione metallurgica di formazione dello strato. La fase di immersione è, inoltre, tanto più lunga quanto più spesso è il materiale. Dal punto di vista pratico, l’avvenuta zincatura coincide con il placarsi del caratteristico moto turbinoso della superficie del bagno, determinato dallo sviluppo di gas e vapori. Durante il processo si generano delle scorie (mattes), che periodicamente devono essere rimosse dal fondo della vasca.

Immagine 8 – Forno per la zincatura coi portelloni laterali aperti.

Nella foto è possibile osservare un manufatto appena zincato in fase di sollevamento

Immagine 9 – Vasca piena di zinco liquido, ripresa durante il trattamento di alcuni pezzi di acciaio

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4.3.6 Raffreddamento Dopo che la reazione di formazione del rivestimento si compie, il manufatto viene estratto dal forno. Durante l’estrazione si forma sulla superficie dei pezzi un ulteriore rivestimento di zinco, che ha la stessa composizione del bagno di metallo fuso e conferisce il caratteristico aspetto brillante all’acciaio appena trattato. Ad estrazione avvenuta, quando i manufatti sono ancora Immagine 10 – Vasca per il raffreddamento contenente acqua alla temperatura ambiente sospesi sopra il bagno, si favorisce il drenaggio del metallo liquido, inclinando e movimentando adeguatamente il pezzo, così da eliminare gli ultimi residui dello zinco in eccesso. La reazione ferro-zinco di formazione dello strato continua anche dopo l’estrazione, fino alla temperatura di circa 200°C, in corrispondenza della quale i fenomeni di diffusione avvengono ormai a velocità trascurabile. Il pezzo appena zincato può essere refrigerato mediante immersione in una vasca piena d’acqua alla temperatura ambiente, posta di fianco al forno di zincatura, o lo si lascia raffreddare lentamente in aria. Poi i manufatti vengono sganciati dal telaio, che è pronto per un nuovo ciclo, e ispezionati, in quanto dopo la zincatura i materiali possono presentare piccoli difetti, che devono essere rimossi.

Infatti, durante l’estrazione dei pezzi dalla vasca, può accadere che lo zinco fluido, gocciolando, indurisca e formi leggeri ispessimenti. Generalmente, se tali difetti hanno dimensioni modeste, non creano problemi, ma qualora le parti zincate debbano essere assemblate o montate in maniera precisa, i sovraspessori e i piccoli accumuli devono essere rimossi per abrasione. In ogni caso, le imperfezioni vanno eliminate quando sono acuminate, poiché in fase di trasporto, montaggio o utilizzo, potrebbero causare ferite agli operatori oppure staccarsi negli urti, lasciando scoperte piccole superfici di acciaio.

Per rimuovere tali ispessimenti è preferibile operare manualmente. In tal modo, è più facile controllare che il rivestimento non venga tolto completamente lasciando l’acciaio privo di protezione. Le gocciolature possono, invece, essere eliminate impiegando una fiamma ossidrica, così che, una volta fluido, lo zinco superfluo goccioli via. Nel caso di un inclusione di sali di flussaggio, in corrispondenza della quale il rivestimento presenta una morfologia differente e ben visibile, o di piccole aree che dovessero risultare non ricoperte, lo strato di rivestimento va riparato tramite vernici o spray ad alto tenore di zinco, oppure tramite procedure di metallizzazione22. Successivamente, si provvede alla 22

Il processo di metallizzazione consiste nel far aderire alla superficie di un materiale un rivestimento metallico. Lo scopo di tale operazione può essere di tipo protettivo, decorativo, funzionale, o altro.

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verifica della qualità del rivestimento, che deve rispettare prescrizioni normative riguardo ai valori minimi dello spessore (misurato in μm o, più raramente, in g/m2) ed ai requisiti di aspetto. Infine si esegue la pesatura per valutarne il costo.

Immagine 11 – Schema generale di un impianto di zincatura a caldo

Immagine 12 – Veduta complessiva dell’impianto di zincatura dell’azienda Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.

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4.4 Vantaggi della zincatura a caldo Di tutte le tecniche di protezione contro la corrosione, la galvanizzazione risulta la più affidabile e conveniente. Si tratta di un processo relativamente semplice e altamente automatizzato, che offre molteplici vantaggi.

L’accresciuta sensibilità verso le tematiche ambientali ha determinato una maggiore attenzione nei confronti degli impatti causati non soltanto dalle attività industriali, ma anche dai prodotti stessi, durante il loro utilizzo e le fasi successive alla produzione. Si è compreso che la salvaguardia dell’ecosistema deve compiersi anche attraverso l’impiego di tecnologie che impediscano la degradazione di quei prodotti indispensabili, che sono stati ottenuti con grande dispendio materiale ed energetico. In quest’ottica, la zincatura a caldo si rivela un ottimo alleato dell’acciaio. Lo zinco, infatti, assicurando una protezione dalla corrosione di lunga durata, che non necessita di interventi manutentori per decenni, evita gli impatti ambientali connessi alle azioni di ripristino e rifacimento delle opere compromesse. Dunque, la galvanizzazione dei materiali consente di ottenere non soltanto benefici di carattere tecnico ed economico, ma anche di preservare le risorse ambientali. Ciò non avviene con le altre tecniche anticorrosive, quali ad esempio la verniciatura, che richiedono interventi di ripristino del rivestimento protettivo già dopo 8-10 anni e, pertanto, risultano più dispendiose e più sconvenienti dal punto di vista ambientale.

Lo zinco è un elemento naturalmente presente in aria, acqua e suolo ed indispensabile per la vita di piante ed animali, compreso l’uomo. Per questo motivo, l’immissione di zinco nell’ambiente, legata al processo di zincatura a caldo e all’utilizzo dei manufatti zincati, non comporta nessun rischio per la salute umana e per l’ecosistema. In ogni caso, data la ridotta velocità con cui avviene la dissoluzione dello zinco, le concentrazioni di questo metallo nel suolo non raggiungono mai livelli preoccupanti.

Ulteriori elementi a favore della galvanizzazione sono la rapidità di realizzazione del rivestimento e la copertura completa dell'acciaio. Infatti, anche quando il pezzo da zincare presenta forme irregolari, angoli scomodi, piccoli fori, superfici interne, l’immersione nello zinco fuso assicura che tutta la superficie venga interamente rivestita. Anche la fase finale di ispezione e di eventuale riparazione si rivela piuttosto agevole, in quanto la presenza di imperfezioni e irregolarità nello strato protettivo risulta immediatamente visibile ad occhio nudo e la verifica della continuità, della solidità e dello spessore del rivestimento avviene mediante semplici test non distruttivi.

Una volta completata l’ispezione, l'acciaio galvanizzato è direttamente pronto per l'uso.

Infine, lo zinco ha anche il vantaggio di essere un materiale riciclabile. La protezione di un manufatto spesso dura più della vita utile del manufatto stesso e lo zinco residuo si

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può rendere disponibile per il riciclo anche dopo un periodo di 100 anni. Per di più, l’acciaio rivestito, a fine vita, è altrettanto riciclabile.

Capitolo V 5.1 Sopralluogo Dopo una raccolta preliminare delle informazioni riguardanti l’azienda, il primo passo nella realizzazione di una diagnosi energetica è rappresentato dal sopralluogo. Il sopralluogo permette, innanzitutto, di confrontarsi con i soggetti che dirigono l’impresa, col personale a cui è affidata la gestione e la manutenzione degli impianti e con i dipendenti che lavorano a stretto contatto con l’impianto stesso. È essenziale fare tesoro della loro esperienza maturata sul campo, in quanto ciò determina una più chiara e dettagliata comprensione del funzionamento dell’impianto e favorisce la raccolta di informazioni aggiuntive ed integrazioni alla documentazione ricevuta inizialmente. Una perlustrazione, inoltre, consente di prendere visione diretta dei componenti e dei sistemi impiantistici, di individuare le probabili aree di inefficienza e di verificare, in prima approssimazione, quali azioni di miglioramento potrebbero essere attuate, a seconda dei vincoli tecnici presenti. In base al grado di approfondimento dell’indagine che ci si prefigge di raggiungere, durante il sopralluogo possono essere effettuati rilievi in dettaglio, verifiche prestazionali e operazioni di monitoraggio.

5.2 Analisi delle informazioni di base La documentazione gestionale resa disponibile dall’azienda è molto importante, in quanto fornisce utili informazioni di base, che consentono di prendere visione dello stato di fatto degli impianti e di risalire alle modalità con le quali essi vengono utilizzati.

In particolare, tale documentazione comprende i contratti di fornitura di tutte le utenze e le bollette energetiche relative agli ultimi anni di esercizio. La disponibilità di valori mensili dei consumi di energia consente di effettuare un’indagine più precisa e appropriata, la quale permette di valutare i margini di miglioramento nella gestione e di evidenziare le situazioni anomale su cui bisogna agire, per una riduzione delle spese energetiche e, conseguentemente, dell’impatto ambientale.

Grazie alla gentile concessione dei dirigenti dell’azienda “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.”, è stato possibile disporre delle bollette elettriche e delle bollette del gas naturale, relative ai mesi dell’anno 2012, dalle quali sono stati ricavati tutti i dati riguardanti i

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consumi di energia elettrica e termica della zincheria (mostrati rispettivamente nella Tabella 2 e nella Tabella 3).

Superficie netta23: Fornitore:

2044 m2 Enel (Gennaio, Febbraio, Marzo); Green Network Sud (Aprile, Maggio, Giugno, Luglio, Agosto, Settembre, Ottobre, Novembre, Dicembre) Anno di riferimento: 2012

Tabella 2. Dati sui consumi elettrici Consumi elettrici Mese

Giorni

Cons. kWhe

Potenza di Prelievo24 kW

GEN

31

32.896

FEB

29

MAR

Indicatori

Costo €

Costo €/kWh

Fattore di carico

Costo €/m2

Cons. kWh/m2

81

5.432,14

0,165

0,546

2,658

16,094

33.561

78

5.869,60

0,175

0,618

2,872

16,419

31

33.448

72

5.331,98

0,159

0,624

2,609

16,364

APR

30

30.795

76

2.514,41

0,0817

0,563

1,230

15,066

MAG

31

30.710

60

2.514,53

0,0819

0,688

1,230

15,024

GIU

30

27.676

64

2.262,71

0,0818

0,601

1,107

13,540

LUG

31

29.352

58

2.398,55

0,0817

0,680

1,173

14,360

AGO

31

20.418

67

1.673,59

0,0820

0,410

0,819

9,989

SET

30

29.419

64

2.387,47

0,0812

0,638

1,168

14,392

OTT

31

30.902

69

2.537,22

0,0821

0,602

1,241

15,118

NOV

30

30.325

68

2.489,95

0,0821

0,619

1,218

14,836

DIC

31

32.382

77

2.620,19

0,0809

0,565

1,282

15,842

Tot.

366

361.884

38.032,34

La Tabella 2 contiene, tra le altre cose, i valori che il fattore di utilizzazione del carico massimo ha assunto in ciascun mese del 2012. Il fattore di utilizzazione del carico massimo, detto brevemente fattore di carico, è un parametro adimensionale compreso 23 24

Area ottenuta detraendo gli spessori delle pareti esterne e interne.

Massimo valore della potenza prelevata in un mese.

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tra 0 e 1, dato dal rapporto tra il consumo totale di energia elettrica in un certo periodo, espresso in kWh, e il valore di picco della potenza prelevata, moltiplicata per lo stesso periodo di tempo:

(1)

Tale grandezza fornisce una rappresentazione di massima di quella che è l’efficienza energetica dell’impianto elettrico esaminato. Infatti, un fattore di carico basso indica che, in una determinata utenza, si verificano dei picchi di consumo in periodi limitati e che questi picchi potrebbero essere evitati, attraverso una distribuzione più razionale dei carichi elettrici. Al contrario, un fattore di carico alto rivela che il profilo dei consumi elettrici è più uniforme. Per un’utenza che opera ininterrottamente tutto l’anno, per 24 ore al giorno, il valore ideale sarebbe pari a 1. Nella pratica, i valori tipici del fattore di carico che la letteratura tecnica riporta nel caso di una generica utenza industriale sono 0,4 – 0,5. Servendosi della formula (1), sono stati ottenuti per la zincheria dei valori soddisfacentemente alti. Infatti, per ben otto mesi su dodici si è registrato un fattore di carico superiore a 0,6 e in alcuni casi addirittura prossimo a 0,7, mentre, per quanto riguarda i restanti quattro mesi, soltanto in uno di questi, per l’esattezza in agosto, esso non ha superato la soglia dello 0,5, attestandosi attorno a 0,4. Questo perché per gran parte del mese di agosto gli impianti rimangono fermi o comunque non lavorano a pieno regime, a causa delle ferie estive.

Nella parte destra della Tabella 2 vengono mostrati due tipologie di indicatori di prestazione, uno basato sul costo energetico ed uno bastato su un’unità di misura energetica. La parametrizzazione delle performance energetiche di un edificio, attraverso degli indicatori, rappresenta un punto di partenza importante per un energy audit. Gli indicatori, infatti, facilitando il confronto tra il consumo energetico specifico dell’edificio preso in esame e il consumo specifico di una serie di edifici similari, hanno lo scopo di rivelare in modo immediato se l’edificio analizzato possiede o meno caratteristiche prestazionali basse. Il valore dell’indicatore, quindi, preso da solo, non fornisce alcuna informazione e non costituisce di per sé un dato utile, ma lo diviene soltanto se paragonato a quello di altri edifici analoghi. Il confronto si può basare sui consumi complessivi oppure si può basare su consumi parziali, come ad esempio quelli che si riferiscono al solo impianto di illuminazione, al solo impianto di riscaldamento, al solo impianto di produzione di acqua calda, ecc. Gli indicatori consentono anche di monitorare, in modo semplice ed efficace, i progressi ottenuti tramite determinate azioni o strategie e di individuare tempestivamente quali ulteriori sforzi sono necessari per ottimizzare la gestione e ridurre i consumi energetici o di altre risorse. Un indicatore

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normalmente si calcola rapportando una quantità di energia a una grandezza geometrica.

La più comune tra queste, in genere, è la superficie utile dell’edificio. Di conseguenza, generare degli indicatori è abbastanza semplice. Invece, attualmente risulta complicato trovare per il settore industriale dei requisiti di prestazione definiti su base statistica, da poter adoperare per il suddetto confronto, poiché la quasi totalità dei dati forniti dalla letteratura tecnica si riferisce a tipologie costruttive e utenze prevalentemente nordamericane, le quali sono contraddistinte da peculiarità diverse. In effetti, il paragone ha un senso solo se realmente esistono delle analogie oggettive che rendono gli edifici idonei ad un confronto. Con l’obiettivo di superare questo limite è nato un progetto europeo, che prevede la promozione della ricerca e dello sviluppo degli indicatori energetici, la definizione di linee guida per un corretto utilizzo di questi importanti strumenti e porterà, infine, alla creazione di un vero e proprio database, costantemente aggiornato e arricchito con dati derivanti da casi reali, accessibile via web. A causa della carenza e della difficile reperibilità di indici utili per un confronto, non è stato possibile servirsi di dati precisi e specifici per una comparazione con gli indicatori prestazionali calcolati per la zincheria. Si può però affermare che, in genere, un consumo inferiore a 20,0 kWh/m2 è indice di una buona efficienza energetica e, come si evince dall’ultima colonna a destra nella Tabella 2, l’azienda “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.” soddisfa ampiamente tale requisito, avendo al massimo raggiunto un consumo di 16,4 kWh/m2.

Inoltre, i dati sui consumi mensili di energia elettrica estrapolati dalle bollette di fornitura possono essere utilizzati per rappresentare graficamente il cosiddetto diagramma di carico elettrico annuale (Figura 8). Si osserva immediatamente che l’andamento della curva è piuttosto lineare e ciò dimostra che la richiesta di energia elettrica varia relativamente poco da un mese all’altro, soprattutto in relazione al numero di commesse ricevute dall’azienda. Questi consumi molto regolari della zincheria si spiegano col fatto che l’impianto, con tutte le sue apparecchiature elettriche, dovendo mantenere lo zinco perennemente allo stato liquido e quindi ad una temperatura sempre superiore ai 420°C, rimane in funzione per tutto l’anno, sia di giorno che di notte, e lavora di continuo alle medesime condizioni o quasi. Fa eccezione soltanto il mese di agosto, in corrispondenza del quale si registra il minimo consumo, a causa del rallentamento nella produzione dovuta alla pausa estiva.

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Figura 8.

Consumo elettrico (kWhe)

Profilo di domanda di energia elettrica 37500 35000 32500 30000 27500 25000 22500 20000 17500 15000 12500 10000 7500 5000 2500 0 GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET

OTT NOV DIC

Analoghe considerazioni possono essere fatte per i consumi termici. Nell’azienda in questione le utenze termiche sono tutte alimentate con gas naturale, il quale è costituito quasi interamente da metano (CH4). Dalle bollette di fornitura, quindi, sono stati recuperati i dati riguardanti le quantità di gas naturale impiegato, misurate in metri cubi standard25, e i relativi costi che l’azienda ha sostenuto. A partire dalla quantità di gas impiegato e sapendo che il suo potere calorifico inferiore26 è pari a circa 9,54 kWh/Sm3, è stato possibile risalire al consumo di energia termica espresso in kWh. 25

Lo standard metro cubo (Sm3) è l’unità di misura della quantità di gas contenuta in un metro cubo, a condizioni standard di temperatura e di pressione (15 °C, pressione atmosferica). Nella misura di un gas si deve infatti tenere conto che la quantità di gas che occupa il volume di 1 m3 è variabile, perché dipendente dalla temperatura e dalla pressione presenti all’atto della misura. Lo Sm 3 si distingue dal Normal metro cubo (Nm3), che misura la quantità di gas contenuta in 1 m3 alla pressione atmosferica e alla temperatura di 0 °C. 26

Ogni combustibile è caratterizzato da un potere calorifico o calore di combustione, grandezza che esprime la quantità massima di calore che si può ricavare dalla combustione completa di 1 kg di sostanza (o 1 m3 di gas) a 0°C e 1 atm. Per tutti i combustibili esistono due poteri calorifici: il potere calorifico superiore (PCS) e il potere calorifico inferiore (PCI). Il potere calorifico superiore è la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa della massa unitaria, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale. Si definisce potere calorifico inferiore (indicato anche con LHV, Lower Heating Value) il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d’acqua generato durante la combustione. Questo è il valore a cui si fa usualmente riferimento quando si parla di potere calorifico di un combustibile. Infatti, una parte del calore teoricamente disponibile si disperde per il riscaldamento dei fumi e, soprattutto, per la vaporizzazione dell’acqua prodotta dalla combustione.

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Superficie netta: Fornitore: Anno di riferimento: Tipo di combustibile:

2044 m2 Gas Natural Vendita 2012 Gas naturale (CH4) PCI = 9,54 kWh/Sm3

Tabella 3. Dati sui consumi di gas naturale Consumi di gas naturale

Indicatori

Mese

Giorni

Cons.

Sm3

Cons. kWht

Costo €

Costo €/Sm3

Costo €/m2

Cons.

Sm3/m2

Cons. kWht/m2

GEN

31

28.727

274.056

12.959,80

0,451

6,340

14,054

133,516

FEB

29

28.177

268.809

12.351,90

0,438

6,043

13,785

130,960

MAR

31

28.906

275.763

12.820,33

0,444

6,272

14,142

134,348

APR

30

28.532

272.195

12.780,34

0,448

6,253

13,959

132,610

MAG

31

29.852

284.788

13.754,95

0,461

6,729

14,604

138,745

GIU

30

28.560

272.462

13.438,04

0,471

6,574

13,973

132,740

LUG

31

28.228

269.295

13.441,66

0,476

6,576

13,810

131,197

AGO

31

26.238

250.311

12.333,39

0,470

6,034

12,837

121,948

SET

30

23.180

221.137

10.538,25

0,455

5,156

11,341

107,735

OTT

31

28.253

269.534

12.893,17

0,456

6,308

13,822

131,312

NOV

30

25.400

242.316

11.633,63

0,458

5,692

12,427

118,053

DIC

31

28.272

269.715

12.492,18

0,442

6,112

13,832

131,401

Tot.

366

332.325

3.170.381

151.437,64

I dati contenuti nella Tabella 3 sottolineano che i consumi di energia termica sono nettamente superiori ai consumi di energia elettrica e che i costi sostenuti per l’acquisto del gas naturale rappresentano la parte più rilevante di tutta la spesa energetica di una zincheria. Sempre in tabella, per l’esattezza nelle ultime tre colonne a destra, vengono mostrati vari tipi di indicatori, la cui utilità è quella di fornire una descrizione più significativa delle prestazioni dell’impianto, anche se purtroppo non è stato possibile trovare dei valori a cui riferirsi per un raffronto. I volumi di gas utilizzati dalla “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.”, comunque, appaiono in linea con quelli di altri

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stabilimenti per la zincatura a caldo presenti in Italia.

Servendosi dei dati dedotti dalle bollette, così come è stato fatto per i consumi elettrici, anche per i consumi termici è stato realizzato il diagramma di carico che raffigura l’andamento annuale della domanda di energia termica (Figura 9).

Figura 9.

Consumo di gas naturale (kWht)

Profilo di domanda di energia termica 300000 275000 250000 225000 200000 175000 150000 125000 100000 75000 50000 25000 0 GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC

In questo caso, la curva si presenta ancor più lineare di quella relativa alla domanda elettrica, dimostrando che l’impiego del gas naturale si mantiene pressoché costante durante tutto l’anno. Infatti, i bruciatori destinati al riscaldamento della vasca di zinco, pur modulando il loro consumo tra le ore diurne (consumo massimo) e le ore notturne (consumo minimo poiché la produzione è ferma e la vasca viene coperta per ridurre le dispersioni termiche), non smettono mai di funzionare, affinché lo zinco si conservi sempre in forma liquida. Anche la caldaia ausiliaria, addetta alla produzione dell’acqua calda che riscalda i bagni di pretrattamento, opera di continuo per mantenere le soluzioni sempre alle rispettive temperature di esercizio. In corrispondenza del periodo estivo si osserva un leggero calo della domanda termica, legata soprattutto all’attività ridotta dell’azienda in quelle settimane e quindi al fatto che i bruciatori, e l’impianto in generale, lavorano al minimo.

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5.3 Analisi della documentazione tecnica Dopo aver esaminato i consumi complessivi e aver preso visione della situazione generale della zincheria, si passa allo studio della documentazione tecnica. Tale documentazione messa a disposizione dal personale dell’azienda include planimetrie, schemi d’impianto, immagini e soprattutto schede dettagliate contenenti le caratteristiche tecniche dei componenti impiantistici, le relative potenze nominali, i consumi orari, i rendimenti, ecc. Grazie a questi dati si può approfondire l’indagine sui consumi energetici e risalire a quelle che sono le apparecchiature più energivore, ovvero quelle che influiscono maggiormente sui consumi finali e dunque richiedono una considerazione particolare. Una volta individuate le parti critiche dell’impianto e le cause di sprechi, si procede a una valutazione dei possibili interventi di risparmio e di riqualificazione energetica.

5.3.1 Studio dei carichi elettrici Attraverso un attento studio dello schema d’impianto e un’ispezione sul posto, è stato possibile conoscere quanti e quali apparecchiature elettriche sono presenti presso lo stabilimento esaminato. Le maggiori utenze elettriche rilevate all’interno della zincheria sono state: - il ventilatore di aspirazione dei vapori acidi, che preleva le esalazioni rilasciate dai bagni di decapaggio, attraverso delle prese d’aria disposte lungo i bordi delle vasche, e le invia alla torre di lavaggio. Tale ventilatore rimane sempre in funzione, giorno e notte, in modo da garantire costantemente l’asportazione dei vapori acidi prodotti dalla evaporazione naturale dell’HCl e dalle reazioni che si innescano durante il trattamento dei manufatti; - il ventilatore destinato all’aspirazione dei fumi di zinco e di ossido di zinco, emessi dal bagno di metallo fuso, soprattutto durante le immersioni dei manufatti. Il ventilatore aspira tali fumi bianchi dall’interno della cabina del forno di zincatura e li trasferisce all’impianto di filtraggio; - il ventilatore di aspirazione dei fumi prodotti dalla combustione del metano, che preleva i gas di scarico ancora caldi dal forno di zincatura e li manda all’interno del vicino essiccatoio. Il ventilatore lavora continuamente, anche durante la notte, quando l’utilizzo dei bruciatori è minimo e la sua azione non sempre è necessaria;

~ 53 ~

- i quattro carriponte bitravi a cassone, che permettono la movimentazione e il sollevamento dei telai a cui si agganciano i manufatti da trattare; - la pompa centrifuga verticale utilizzata per il ricircolo dell’acqua dentro la torre di lavaggio dei fumi acidi. Dato che l’aspirazione dei vapori acidi avviene di continuo, questa pompa deve lavorare ininterrottamente; - la pompa impiegata per la circolazione dell’acqua calda che fornisce calore alle vasche di sgrassaggio e flussaggio. Questo sistema di riscaldamento rimane sempre attivo, affinché i bagni di trattamento si mantengano alle rispettive temperature di esercizio; - le apparecchiature per l’illuminazione, costituite da 36 lampade a vapori di mercurio, le quali vengono accese solamente quando la luce naturale proveniente dall’esterno non è sufficiente; - i motoriduttori27, di cui alcuni sono adoperati per le ordinarie operazioni di apertura e chiusura dei portelloni della cabina del forno di zincatura, altri per l’apertura e la chiusura del coperchio mobile del forno di asciugatura ed altri ancora permettono la movimentazione avanti e indietro dei due carri trasbordatori sulle rispettive rotaie.

Per ciascuna di queste apparecchiature, poi, l’azienda ha messo a disposizione dei documenti nei quali sono riportati diversi dati tecnici utili, come ad esempio i valori delle potenze nominali. Sulla carta, la potenza installata complessiva è pari a 110 kW, ma in realtà la potenza media impegnata stimata è di circa 70 kW. Servendosi della documentazione raccolta e prendendo atto delle descrizioni e delle indicazioni fornite dal personale, circa le modalità con cui i vari dispositivi operano nell’impianto, è stato possibile fare un conteggio delle ore di funzionamento collezionate da ciascun utilizzatore, nell’intero anno 2012, e una stima degli opportuni coefficienti di utilizzazione28 medi. Quest’ultimi sono stati valutati tenendo conto delle differenti condizioni di funzionamento durante le ore lavorative, quando l’impianto è in fase di produzione e le apparecchiature assorbono una potenza maggiore, e durante le ore 27

I motoriduttori sono dei motori elettrici autofrenanti, particolarmente indicati in tutti quei casi in cui è importante ridurre al minimo i tempi di arresto. Ogni singola unità è costituita da un motore trifase o monofase e da un freno. La loro compattezza e la loro precisione nella frenatura li rende adatti ai sistemi di movimentazione e sollevamento.

28

Si definisce fattore di utilizzazione il rapporto tra la potenza media effettivamente assorbita da un utilizzatore elettrico e la sua potenza installata:

~ 54 ~

notturne, quando alcune apparecchiature sono spente e altre, pur rimanendo accese, lavorano ad una potenza notevolmente ridotta. A questo punto, si è passati al calcolo della quantità di energia consumata in totale da ciascun componente dell’impianto, attraverso la seguente formula: (2) dove esprime l’energia elettrica consumata, n il numero dei dispositivi dello stesso tipo, la potenza nominale, h le ore di funzionamento e u il fattore di utilizzazione.

Tutti i risultati ottenuti sono stati inseriti nella Tabella 4, la quale offre un quadro chiaro e completo di ciò che l’analisi dei carichi elettrici ha permesso di ricavare.

Sommando i consumi di tutti gli utilizzatori elettrici analizzati otteniamo:

che è il valore del consumo di energia elettrica totale trovato basandosi sulle bollette. La lieve differenza tra le due cifre è dovuta ad altri usi minori, qui non presi in considerazione poiché trascurabili. Nella Tabella 4 (ultima colonna) si osserva che ad ogni apparecchiatura è stato associato un dato in percentuale, ottenuto rapportando l’energia , a sua volta calcolata tramite la formula (2), al consumo complessivo = . Tali valori percentuali risultano molto interessanti, in quanto forniscono una rappresentazione di quanto ciascun dispositivo abbia inciso e contribuito alla formazione dei consumi elettrici globali.

~ 55 ~

Tabella 4. Elenco dei principali componenti elettrici Utilizzatori elettrici

N

Potenza nom. kW

Ventilatore di aspirazione vapori acidi

1

22

Ventilatore di aspirazione fumi bianchi

1

15

Ventilatore di aspirazione gas di scarico Pompa del sistema di lavaggio fumi acidi Carriponte Pompa del sistema di riscaldamento vasche

1

15

Ore di funzionamento h

Fattore di utilizzazione

Energia cons.

MWh

8:00-19:00

2871

0,7

44,213

19:00-8:00

5913

0,5

65,043

8:00-19:00

2871

0,7

30,146

19:00-8:00

5913

0,5

44,348

8:00-19:00

2871

0,7

30,146

19:00-8:00

5913

0,5

44,348

8:00-19:00

2871

0,6

12,920

% risp. al totale 30,19%

20,58%

20,58%

1

7,5

19:00-8:00

5913

0,6

26,609

10,92%

4

7,5

8:00-19:00

1526

0,6

27,468

7,59%

8:00-19:00

2871

0,6

5,168

1

3

19:00-8:00

5913

0,6

10,643

4,37%

36

0,25

8:00-19:00

1048

1

9,432

2,61%

Motoriduttori cabina forno

4

1,5

8:00-19:00

1697

0,7

7,127

1,97%

Motoriduttori essiccatoio

2

1,5

8:00-19:00

1697

0,7

3,564

0,98%

2

0,65

8:00-19:00

747

0,7

0,680

0,19%

Illuminazione: lampade a vapori di mercurio

Motoriduttori carri trasbordatori

~ 56 ~

Figura 10. Ripartizione dei consumi elettrici per le diverse apparecchiature Motoriduttori 3,14%

Illuminazione 2,61%

Carriponte 7,59%

Pompe 15,29% Ventilatori 71,35%

Come si evince chiaramente dalla Figura 10, i ventilatori di aspirazione risultano di gran lunga i più energivori, seguiti dalle pompe e dai carriponte. L’illuminazione e i motori elettrici di piccola taglia, invece, hanno influito solo in maniera marginale. Pertanto, gli impianti di aspirazione dei vapori acidi esalati dalle vasche di decapaggio, dei fumi bianchi emessi dalla vasca di zinco e dei fumi della combustione dal forno di zincatura sono quelli che richiedono una maggiore considerazione e quelli sui quali bisogna agire anzitutto, se si vuole ottenere una riduzione dei consumi apprezzabile e, di conseguenza, un risparmio economico.

5.3.2 Studio dei dispositivi alimentati a gas naturale Analogamente a quanto fatto per gli utilizzatori elettrici, la documentazione tecnica disponibile e i vari sopralluoghi sono stati sfruttati anche per approfondire la conoscenza dei dispositivi alimentati a gas. Ciò ha permesso di comprenderne a fondo le caratteristiche e le modalità di operare di ciascuno, così da riuscire ad individuare difetti, anomalie e irregolarità nel loro utilizzo e nella loro gestione. Le apparecchiature che necessitano di una fornitura di gas naturale, di cui la zincheria dispone, sono: - gli otto bruciatori del forno di zincatura, che, lambendo con le loro fiamme la parte inferiore laterale della vasca, attorno alla quale sono disposti in maniera simmetrica, forniscono il calore necessario affinché lo zinco rimanga perennemente liquefatto, ad una temperatura di circa 450°C. Il gas e l’aria necessaria alla combustione vengono convogliati mediante condutture separate e miscelati direttamente all’interno degli stessi

~ 57 ~

bruciatori. L’aria viene aggiunta con un leggero eccesso rispetto alla quantità stechiometrica, per assicurarsi che la combustione sia completa e per ridurre il più possibile la produzione di monossido di carbonio. Inoltre, i bruciatori sono modulanti, nel senso che sono capaci di regolare l’apporto calorico, e quindi i consumi di gas, in base alla temperatura del bagno di zinco. Pertanto, il consumo di gas Immagine 13 – Tipologia di bruciatore a gas è maggiore durante il giorno, quando le presente nell’impianto di zincatura a caldo dispersioni di calore sono notevoli, soprattutto studiato a causa dei frequenti shock termici dovuti alle immersioni dei manufatti, e notevolmente minore durante la notte, quando la vasca viene coperta, giace a riposo e le dispersioni sono limitate.

- il bruciatore collocato lungo la condotta dei fumi bianchi aspirati dal forno, che provvede ad essiccare tali fumi e ad incenerire eventuali particelle solide, prime che vengano inviati al filtro a maniche.

- la caldaia destinata alla produzione di acqua calda, utilizzata per il riscaldamento di due delle dieci vasche di pretrattamento, per l’esattezza quella adibita allo sgrassaggio e quella adibita al flussaggio, al fine di mantenere le soluzioni in esse contenute alla temperatura di circa 40°C. Dopo aver preso nota dei loro dati di targa ed aver appreso di più sulle loro peculiarità, è stato possibile approfondire, per ciascuna tipologia di apparecchiatura, lo studio inerente ai consumi di gas naturale. I risultati ottenuti sono riassunti nella Tabella 5, la quale riporta il totale delle ore di funzionamento, le diverse portate di gas, i volumi di gas richiesti nell’intero anno 2012 e il corrispondente consumo di energia termica espresso in MWh. Nel computo delle ore di lavoro si è tenuto conto che il consumo dei bruciatori del forno di zincatura non è costante, ma è variabile a seconda della necessità calorica del bagno di zinco. L’entità della fiamma, infatti, viene regolata da un sistema di controllo che, tramite un sensore a termocoppia, monitora la temperatura dello zinco. In pratica, nell’arco delle 24 ore di una comune giornata lavorativa, si possono distinguere essenzialmente due diversi assetti per i bruciatori del forno di zincatura: l’assetto denominato volgarmente “a fiamma alta”, durante le ore produttive, l’assetto “a fiamma bassa” durante le ore di standby dell’impianto. I consumi della caldaia e del bruciatore addetto all’essiccazione dei fumi aspirati, invece, sono più regolari e possono essere

~ 58 ~

ritenuti pressoché costanti durante tutto l’anno. I volumi di gas utilizzati da ciascuna apparecchiatura sono stati poi calcolati con la seguente formula: (3) dove esprime la portata oraria media del gas e h le rispettive ore di funzionamento. Successivamente, sapendo che il potere calorifico inferiore del gas naturale equivale a 9,54 kWh/Sm3, è stato possibile risalire al consumo di energia termica di ciascun componente: (4) Sommando i consumi termici di tutte le apparecchiature otteniamo:

che è il valore del consumo totale di energia termica trovato attenendosi alle bollette del gas naturale. Infine, l’energia , calcolata tramite la formula (4), è stata rapportata al consumo complessivo , per avere una rappresentazione in percentuale dell’influenza di ciascun componente sui consumi globali di gas.

Tabella 5. Elenco dei componenti impiantistici alimentati a gas Apparecchiatura

Ore di funzionamento h

Portata media di gas Sm3/h

Consumo di gas Sm3

Consumo MWh

% rispetto al totale

Bruciatori forno di zincatura

2400 6384

81,3 12,4

195.120 79.162

1861,445 755,205

82,5%

Bruciatore aspirazione fumi

8784

3,7

32.501

310,060

9,8%

Caldaia

8784

2,9

25.474

243,022

7,7%

~ 59 ~

Figura 11. Ripartizione dei consumi di gas naturale per le diverse apparecchiature Caldaia 7,7 % Bruciatore aspirazione fumi 9,8 % Bruciatori forno 82,5 %

La Figura 11 sottolinea che il sistema di bruciatori del forno per la zincatura è il principale responsabile dell’ingente fabbisogno di gas da parte dell’impianto. Difatti, il processo di riscaldamento del bagno di zinco è in assoluto il più dispendioso e quello che grava maggiormente sull’intera spesa energetica di un’industria che effettua la zincatura a caldo. I consumi di gas dovuti all’impiego della caldaia e del bruciatore per l’essicazione dei fumi sono, invece, assai più contenuti.

Capitolo VI 6.1 Definizione dell’Energy Plan L’Energy Audit, che ha come obiettivo finale quello di definire interventi che possano migliorare l’efficienza energetica globale dell’impianto, si concretizza con la stesura di un piano operativo, denominato Energy Plan. All’interno dell’Energy Plan vengono descritte tutte le strategie e le azioni da adottare per il miglioramento delle prestazioni energetiche e della sostenibilità del sistema edificio-impianto. Esse possono riguardare gli impianti meccanici ed elettrici, le modalità di gestione e manutenzione o prevedere lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili. Le misure di contenimento delle risorse, in ogni caso, vengono individuate tenendo conto dei vari aspetti tecnici (fattibilità, affidabilità e soprattutto potenzialità di risparmio), economici (ritorno economico) ed ambientali (effetto sull’ambiente) e vengono valutate attraverso un confronto tra la

~ 60 ~

situazione iniziale e la situazione ottimizzata. Tale valutazione può essere fatta in modo semplificato, considerando gli effetti che il singolo intervento ha prodotto, oppure in modo più completo, considerando i risultati che l’insieme delle misure possono generare. Il dato più rilevante, e quello a cui viene riservata un’attenzione particolare, è la differenza tra il consumo energetico prima e dopo l’intervento, che fornisce il valore del risparmio energetico conseguibile. Questo risparmio di combustibile o di energia elettrica comporta un risparmio economico, che assume una notevole importanza se si pensa che la convenienza economica rappresenta quasi sempre un fattore determinante per passare dalla proposta alla realizzazione degli interventi, e che quest’ultimi si ripagano in gran parte sulla base proprio dei risparmi ottenuti. I possibili interventi si distinguono per i costi e per la diversa efficacia dunque, per effettuare una scelta oculata tra le varie soluzioni possibili e per capire quali di queste siano effettivamente convenienti, è necessario valutarne la redditività. Una volta noti i costi necessari per effettuare uno specifico investimento e i risparmi economici che questo può generare, è possibile calcolare agevolmente degli indicatori che permettono di quantificare la bontà economica di un progetto o, nel caso ci siano più soluzioni alternative, individuare la soluzione che garantisce i margini di convenienza migliori. L’indicatore più utilizzato e di più immediata comprensione per il committente è il tempo di ritorno (“payback time”), che esprime il numero di anni necessario ad ammortizzare l’investimento. Il TR è un indicatore affetto da scarsa precisione, in quanto non considera le variazioni nel prezzo dell’energia né del valore del denaro nel corso degli anni, ma ha il vantaggio di rappresentare un metodo semplice e utile per effettuare una stima di massima sulla bontà di un progetto. In genere, in un Energy Audit raramente vengono prese in considerazione misure che non portano a dei vantaggi economici diretti e che non si ripagano in tempi ragionevoli, non superiori ai 10 anni.

Le misure implementate, oltre a determinare un’ottimizzazione nell’utilizzo delle fonti energetiche, producono indirettamente dei benefici dal punto di vista ambientale. Infatti, il minor consumo di energia si traduce in una riduzione delle emissioni di CO2 e dell’impatto che l’edificio-impianto ha sull’ecosistema.

Dopo aver incrementato l’efficienza energetica, grazie proprio all’attuazione delle strategie indicate dall’Energy Plan, è importante avviare una politica gestionale che abbia come obiettivo il mantenimento delle elevate prestazioni. La sensibilizzazione del personale all’uso corretto delle risorse energetiche e una maggiore consapevolezza nei comportamenti possono aiutare a ridurre gli sprechi.

~ 61 ~

Capitolo VII 7.1 Possibili misure di contenimento dei consumi elettrici Le misure di contenimento adottate per le utenze elettriche comportano una serie di vantaggi. Tali interventi, infatti, sono tra i più convenienti dal punto di vista del ritorno economico, sono in genere tra i meno invasivi e si prestano ottimamente al retrofit sull’esistente.

Prima di effettuare una qualsiasi azione, la priorità è quella di esaminare accuratamente i contratti di fornitura delle risorse energetiche, in modo da individuare eventuali anomalie e valutare se sussiste la necessità di modificare i termini del contratto o persino di cambiare fornitore. Tutto ciò allo scopo di riuscire a contenere i costi della bolletta energetica. Osservando la Tabella 6, nella quale vengono riproposti i dati estrapolati dalle bollette elettriche della zincheria, si ha una dimostrazione palese dell’importanza di ottimizzare i contratti di fornitura, visto che, come si può notare, è bastato semplicemente cambiare fornitore per riuscire a dimezzare il costo del chilowattora e a dimezzare la spesa, pur mantenendo gli stessi livelli di consumo.

Tabella 6. Dati sui consumi elettrici Fornitore: Enel (Gennaio, Febbraio, Marzo); Green Network Sud (Aprile, Maggio, Giugno, Luglio, Agosto, Settembre, Ottobre, Novembre, Dicembre) Consumi elettrici Mese

Giorni

Consumo kWhe

Costo €

Costo €/kWh

Cos φ

GEN

31

32.896

5.432,14

0,165

0,984

FEB

29

33.561

5.869,60

0,175

0,989

MAR

31

33.448

5.331,98

0,159

0,989

APR

30

30.795

2.514,41

0,0817

0,984

MAG

31

30.710

2.514,53

0,0819

0,990

GIU

30

27.676

2.262,71

0,0818

0,974

LUG

31

29.352

2.398,55

0,0817

0,965

AGO

31

20.418

1.673,59

0,0820

0,982

SET

30

29.419

2.387,47

0,0812

0,980

OTT

31

30.902

2.537,22

0,0821

0,988

NOV

30

30.325

2.489,95

0,0821

0,982

DIC

31

32.382

2.620,19

0,0809

0,993

~ 62 ~

Dalle bollette elettriche si può ricavare anche un’altra informazione interessante, ossia il valore assunto dal fattore di potenza o φ. Gli enti distributori dell’energia elettrica impongono agli utenti non residenziali una penale per fattori di potenza bassi ed inferiori ad una determinata soglia. Un basso valore del φ, infatti, indica l’assorbimento da parte dell’utenza di una potenza reattiva elevata, il ché comporta per l’ente distributore una serie di oneri aggiuntivi (necessità di sovradimensionare i cavi, maggiori cadute di tensione in linea, maggiori perdite, ecc), legati all’aumento della corrente circolante nei conduttori. Per non incorrere nel pagamento della penale, l’utente deve quindi provvedere al rifasamento del proprio impianto elettrico, dotandosi di una o più batterie di condensatori che, una volta carichi, forniscono la potenza reattiva richiesta dai carichi induttivi.

L’azienda “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.” è già dotata di opportune batterie di condensatori e non necessita di un rifasamento. La lettura delle bollette elettriche ha confermato che l’impianto elettrico è perfettamente rifasato e che non è stato pagato alcun costo aggiuntivo, visto che il valore del φ si è mantenuto sempre abbondantemente al di sopra della soglia dello 0,9.

Un altro elemento da prendere in considerazione è il fattore umano, che spesso si rivela determinante nella gestione energetica di un’impresa. Per questo potrebbe essere utile intraprendere iniziative di sensibilizzazione di tutto il personale, affinché ciascuno, qualunque ruolo esso svolga nell’azienda, sia informato su come utilizzare e gestire al meglio l’energia e sia stimolato ad assumere comportamenti virtuosi, che contribuiscano ad evitare gli sprechi. I risultati che si possono ottenere dipendono dal senso di responsabilità individuale e non si posso valutare a priori, ma una politica di questo tipo appare certamente interessante e conveniente, perché si possono ottenere risultati apprezzabili con investimenti praticamente nulli.

7.1.1 Interventi sui motori elettrici L’energy auditor, tra le altre cose, ha anche il compito di identificare quegli apparecchi utilizzatori che necessitano di interventi di adeguamento o addirittura di essere sostituiti.

Un importante settore nel quale è possibile effettuare interventi di efficienza energetica ed ottenere un considerevole miglioramento delle prestazioni è quello dei motori elettrici. È noto che nell’industria circa il 70-80% dei consumi di energia elettrica è da addebitarsi ai motori elettrici. Si tratta di una voce di costo indispensabile per l’attività di molte aziende, ma che grava sui bilanci delle attività stesse. I modi per ridurre i consumi legati ai motori elettrici sono essenzialmente due: aumentarne l’efficienza

~ 63 ~

intrinseca e ottimizzarne il funzionamento. Per aumentarne l’efficienza, si può ricorrere alla sostituzione dei vecchi motori con altri nuovi, tecnologicamente più evoluti. Un motore più efficiente possiede un costo superiore a quello di un motore equivalente ad efficienza minore, ma considerando che il costo preponderante nella vita utile di un motore è quello legato ai consumi di energia elettrica (98%), mentre solo il 2% è dato dal costo iniziale e dalla manutenzione, è facile intuire che risulta più vantaggioso abbattere il suo consumo piuttosto che risparmiare sulla spesa iniziale.

Il secondo modo per ridurre i costi energetici consiste nell’ottimizzazione del funzionamento dei motori, in particolare quando si tratta di pompe e ventilatori. In questi casi, la tradizionale regolazione di portata, effettuata mediante sistemi meccanici fortemente dissipativi (valvole, serrande, by-pass), può essere sostituita da una regolazione mediante convertitori di frequenza. Un convertitore di frequenza, noto anche come inverter, preleva dalla rete tensione con ampiezza e frequenza fisse e la converte in tensione con ampiezza e frequenza variabili, adatte a regolare la velocità di rotazione di un motore asincrono, che è proprio funzione della frequenza di alimentazione. Gli inverter, quindi, controllano il funzionamento dei motori, variandone il numero di giri a seconda delle reali esigenze ed evitando che esso lavori alla massima potenza quando non occorre. Se, per esempio, in alcuni periodi un impianto richiede la metà della portata nominale di un fluido, l’inverter comanderà al motore di dimezzare la sua velocità e, poiché la potenza richiesta varia al variare della velocità in maniera più che proporzionale, l’assorbimento energetico si ridurrà notevolmente.

7.1.2 Valutazioni economiche Ritornando nello specifico al caso dell’azienda “Lo Cascio Salvatore & C. s.r.l.”, vengono di seguito riportate alcune valutazioni economiche effettuate per delle misure riguardanti gli utilizzatori elettrici rinvenuti nella zincheria.

- Sostituzione del motore che aziona il ventilatore di aspirazione dei vapori acidi: Vecchio motore Pn = 22 kW 4 poli rendimento γe = 90,5% ore di funzionamento = 2871 h 5913 h

= 0,7 = 0,5

~ 64 ~

Nuovo motore Pn = 22 kW 4 poli rendimento γn = 92,6% costo = 940 €

Una volta noti tutti i dati necessari, calcoliamo il risparmio ottenibile con la seguente formula: γ

γ

(5)

Visto che l’utilizzatore presenta due valori diversi di , uno per le ore produttive e uno per le ore non produttive, si otterranno differenti valori del risparmio per i due periodi: Ore produttive

R1 = 22 kW ∙ 0,7 ∙ 2871 h

= 1108 kWh/anno

Ore non produttive

R2 = 22 kW ∙ 0,5 ∙ 5913 h

= 1630 kWh/anno

per un totale di R = 2738 kWh risparmiati in un anno che, considerando un costo del kWh pari a circa 8 c€/kWh, si tramuta in un risparmio economico di 219,04 € all’anno.

Per avere una stima di massima della bontà di tale investimento calcoliamo il tempo di ritorno mediante la relazione:

dove C è la spesa effettuata e R il risparmio ottenuto in un anno. In questo caso € € Un’ulteriore misura di efficientamento che si potrebbe adottare nel caso di un ventilatore è l’installazione di un convertitore di frequenza, che regoli la portata di aspirazione dei fumi a seconda dell’evolversi del processo di zincatura. Ciò permetterebbe di ridurre notevolmente i consumi del motore durante i periodi morti, quando la produzione è ferma e la quantità di fumi da asportare è minore. Il costo di un inverter da associare ad un motore di 22 kW è di circa 1500 €, ma la sua presenza può determinare una riduzione del consumo che va dal 40 al 60% . Assumendo che la riduzione sia del 40% e considerando che in un anno il consumo totale del ventilatore esaminato è stato di 109256 kWh, il risparmio ottenibile mediante l’impiego di un convertitore di frequenza potrebbe aggirarsi sui 43702 kWh. Il conseguente risparmio economico sarebbe quindi di 3496,16 €/anno, il ché vuol dire che i benefici derivanti da un intervento sarebbero notevoli e tali da far recuperare la spesa nel giro di qualche mese.

~ 65 ~

Infatti € € - Sostituzione del motore che aziona il ventilatore di aspirazione dei fumi bianchi: Vecchio motore Pn = 15 kW 4 poli rendimento γe = 89,4% ore di funzionamento = 2871 h 5913 h

= 0,7 = 0,5

Nuovo motore Pn = 15 kW 4 poli rendimento γn = 91,8% costo = 710 €

Ore produttive

R1 = 15 kW ∙ 0,7 ∙ 2871 h

= 882 kWh/anno

Ore non produttive

R2 = 15 kW ∙ 0,5 ∙ 5913 h

= 1297 kWh/anno

R = 2179 kWh/anno → 174,32 €/anno

Le considerazioni fatte per il ventilatore di aspirazione dei fumi bianchi valgono pure per il ventilatore di aspirazione dei gas di scarico, che ha le stesse identiche caratteristiche. Anche in questo caso il ricorso ad un inverter, che permetta di modulare l’estrazione di fumi e di adeguare l’assorbimento di potenza del motore all’effettivo fabbisogno, può costituire una strategia interessante. Sapendo che il consumo complessivo di questo ventilatore è stato di 74494 kWh e assumendo una riduzione del consumo del 40%, il risparmio sarebbe di 29798 kWh, equivalente a 2383,84 €/anno. Il prezzo di un inverter da collegare ad un motore di 15 kW è di circa 950 €, per cui si ha:

L’investimento, caratterizzato da un tempo di ritorno dell’investimento inferiore ad un anno, è certamente consigliabile.

~ 66 ~

- Sostituzione dell’elettropompa per il ricircolo dell’acqua di lavaggio dei vapori acidi nella torre di lavaggio Vecchia pompa Pn = 7,5 kW 2 poli rendimento γe = 87,0% ore di funzionamento = 8784 h

Nuova pompa Pn = 7,5 kW 2 poli rendimento γn = 89,5% costo = 630 €

= 0,6

R = 7,5 kW ∙ 0,6 ∙ 8784 h

= 1269 kWh/anno → 101,52 €/anno

- Sostituzione dell’elettropompa utilizzata per la circolazione dell’acqua di riscaldamento delle vasche di pretrattamento Vecchia pompa Pn = 3 kW 2 poli rendimento γe = 82,6% ore di funzionamento = 8784 h

= 0,6

R = 3 kW ∙ 0,6 ∙ 8784 h

Nuova pompa Pn = 3 kW 2 poli rendimento γn = 86,7% costo = 420 €

= 905 kWh → 72,40 €/anno

Il controllo della velocità per mezzo di un convertitore di frequenza è efficace per regolare le prestazioni di una pompa che debba smaltire una portata variabile. La pompa di ricircolo dell’acqua nella torre di lavaggio e la pompa di circolazione dell’acqua di riscaldamento delle vasche non rientrano in questa categoria, poiché le loro portate non cambiano molto nel tempo. Di conseguenza, l’impiego di un inverter in questo caso non è giustificato, in quanto non comporterebbe un risparmio di energia ragguardevole.

~ 67 ~

- Sostituzione dei motori di azionamento dei carriponte Vecchi motori Pn = 7,5 kW 4 poli rendimento γe = 87,0% ore di funzionamento = 1526 h

= 0,6

R = 7,5 kW ∙ 0,6 ∙ 1526 h

Nuovi motori Pn = 7,5 kW 4 poli rendimento γn = 90,1% costo = 348 €

= 272 kWh/anno → 21,76 €/anno

In questo caso, con un tempo di ritorno dell’investimento di 16 anni, l’intervento si dimostra poco conveniente e tale da non giustificare la sostituzione dei 4 motori di azionamento dei carriponte.

- Sostituzione dei motoriduttori per l’apertura e la chiusura dei portelloni della cabina del forno Vecchi motori Pn = 1,5 kW 6 poli rendimento γe = 76,5% ore di funzionamento = 1697 h

= 0,7

R = 1,5 kW ∙ 0,7 ∙ 1697 h

Nuovi motori Pn = 1,5 kW 6 poli rendimento γn = 82,5% costo = 210 € = 169 kWh/anno → 13,52 €/anno

Le valutazioni fatte sui motoriduttori della cabina del forno valgono anche per i motoriduttori per l’apertura e la chiusura del coperchio mobile dell’essiccatoio, che possiedono le medesime caratteristiche. Pure in questo caso un tempo di ritorno superiore ai 15 anni rende poco conveniente la realizzazione di questo intervento.

~ 68 ~

- Sostituzione dei motoriduttori di azionamento dei carri trasbordatori Vecchi motori Pn = 0,65 kW 4 poli rendimento γe = 73,9% ore di funzionamento = 747 h

Nuovi motori Pn = 0,65 kW 4 poli rendimento γn = 81,3% costo = 110 €

= 0,7

R = 0,65 kW ∙ 0,7 ∙ 747 h

= 42 kWh/anno → 3,36 €/anno € €

La sostituzione dei motoriduttori di azionamento dei carri trasbordatori appare del tutto sconveniente e sconsigliabile.

Tabella 7. Esito delle valutazioni economiche - Sostituzione Apparecchiatura

Costo Risparmio Risparmio sostituzione ottenibile ottenibile € kWh/anno €/anno

Tempo di ritorno Anni

Ventilatore di aspirazione vapori acidi

940

2738

219,04

4,3

Ventilatore di aspirazione fumi bianchi

710

2179

174,32

4,1

Ventilatore di aspirazione gas di scarico

710

2179

174,32

4,1

Pompa sistema di lavaggio fumi acidi

630

1269

101,52

6,2

Pompa sistema di riscaldamento vasche

420

905

72,40

5,8

Carriponte

348

272

21,76

16,0

Motoriduttori cabina forno

210

169

13,52

15,5

Motoriduttori essiccatoio

210

169

13,52

15,5

Motoriduttori carri trasbordatori

110

42

3,36

32,7

~ 69 ~

Tabella 8. Esito delle valutazioni economiche – Installazione di un inverter Apparecchiatura

Costo di acquisto €

Risparmio Risparmio ottenibile ottenibile kWh €/anno

Tempo di ritorno Anni

Ventilatore di aspirazione vapori acidi

1500

43702

3496,19

0,4

Ventilatore di aspirazione fumi bianchi

950

29798

2383,84

0,4

Ventilatore di aspirazione gas di scarico

950

29798

2383,84

0,4

La Tabella 7 ricapitola quanto è stato ottenuto per le varie apparecchiature elettriche. I risultati dimostrano che per i tre ventilatori di aspirazione, che rappresentano i componenti elettrici più energivori, la sostituzione dei motori esistenti con motori più efficienti, di ultima generazione, si rivela abbastanza conveniente e l’ipotetico investimento è ammortizzabile in poco più di 4 anni, un tempo alquanto ragionevole.

Oltre ai ventilatori, gli apparecchi che hanno collezionato più ore di funzionamento sono le elettropompe, il cui rimpiazzo dovrà essere valutato con maggiore cura, in quanto comporta benefici energetici ed elettrici più contenuti di quelli riscontrati per i ventilatori e tempi di recupero della spesa superiori ai 5 anni. Al contrario, gli altri interventi sui motori di taglia minore, ovvero quelli utilizzati nei sistemi addetti alla movimentazione e al sollevamento, non appaiono per nulla vantaggiosi, essendo caratterizzati da introiti irrisori e da tempi di ritorno dell’investimento piuttosto dilatati.

La Tabella 8 mostra le valutazioni effettuate riguardo all’acquisto degli inverter da associare ai ventilatori di aspirazione. Nella zincheria le portate dei fumi da estrarre sono variabili nell’arco della giornata e questo è uno dei principali elementi che giustificano l’adozione di convertitori di frequenza per i ventilatori che, tra l’altro, sono quelli caratterizzati dai consumi più rilevanti. Come è stato già illustrato, la modulazione della velocità di rotazione in funzione della portata da aspirare permette di diminuire in modo consistente la potenza assorbita dal motore.

Nel caso in cui si effettuassero tutte le misure di contenimento dei consumi di energia elettrica economicamente convenienti, il risparmio complessivo che si potrebbe ottenere, pari alla somma dei risparmi conseguibili mediante ogni singolo intervento, sarebbe di 112568 kWh in un anno, corrispondenti a poco più di 9000 €/anno. La spesa totale sarebbe invece di 6810 €. Pertanto, considerando l’intero investimento, si avrebbe un T.R. =

= 0,8 anni, valore più che accettabile. Una riduzione nei consumi

non giova soltanto al bilancio dell’azienda, ma determina degli effetti benefici anche dal punto di vista ambientale. Infatti, sapendo che per ogni kWh di energia elettrica

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vengono rilasciati nell’atmosfera 0,4332 kg di CO2, un risparmio di 112568 kWh permette di evitare ogni anno l’emissione di circa 48,8 tonnellate di CO2.

7.1.3 Misure di efficientamento dell’impianto di illuminazione I consumi legati all’illuminazione rappresentano una quota modesta dei consumi complessivi di energia elettrica della zincheria. Nonostante ciò, il settore dell’illuminazione detiene ugualmente un certo potenziale di risparmio, che potrebbe rivelarsi interessante da sfruttare, considerato anche che gli interventi in quest’ambito sono solitamente caratterizzati da spese esigue. Le strategie da adottare per eliminare gli sprechi prevedono la sostituzione delle lampade esistenti con lampade più efficienti e l’adozione di apparecchiature che consentano di illuminare le aree solo quando è necessario. L’illuminazione dello stabilimento avviene mediante l’uso di 36 lampade a vapori di mercurio da 250 W, accese soltanto quando la luce proveniente dall’esterno non è sufficiente ad assicurare un’adeguata illuminazione dei locali interni. Tali lampade, inefficienti e altamente inquinanti se non smaltite correttamente, potrebbero essere rimpiazzate, per esempio, da 36 lampade a vapori di sodio ad alta pressione da 150 W, che ben si prestano all’illuminazione industriale e che, pur assorbendo una potenza minore, forniscono una maggiore luce. Il risparmio ottenibile può essere quantificato mediante la seguente equazione: (6) dove N è il numero delle lampade, è la potenza in kW delle lampade esistenti, è la potenza in kW delle nuove lampade e h è il numero delle ore di funzionamento delle lampade in un anno. Nel caso della zincheria si ottiene

Il prezzo di ciascuna lampada a vapori di sodio si aggira intorno ai 17,50 € per cui

Le emissioni di CO2 evitate sarebbero pari a .

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7.2 Possibili misure per ridurre i consumi di gas naturale Come si è visto dall’analisi delle bollette energetiche, il processo di zincatura a caldo richiede enormi quantità di energia termica per il riscaldamento della vasca contente lo zinco. In qualunque momento la solidificazione, anche solo parziale, del metallo deve essere evitata, poiché tale fenomeno costituirebbe una problematica notevole, a causa delle complicazioni tecniche (difficoltà nell’immersione dei manufatti e nello svolgimento del processo di zincatura) e del danno economico che comporterebbe. Un danno economico legato sia ad un rallentamento nella produzione, sia ad una maggiore richiesta di energia termica, e quindi di gas naturale, che il frequente passaggio dallo stato liquido allo stato solido determinerebbe, dato che il gas, per portare lo zinco fino alla temperatura di esercizio, non dovrebbe fornire esclusivamente calore sensibile ma anche il calore latente necessario alla fusione. Per tutti questi motivi, risulta più comodo e conveniente mantenere lo zinco sempre liquefatto, anche durante i periodi di inattività, sebbene questo renda necessario l’impiego di considerevoli quantità di gas e quindi di ingenti costi operativi. La ricerca di strategie appropriate per ridurre i consumi di energia termica, che tanto gravano sul bilancio di una zincheria, è pertanto di fondamentale importanza.

In primo luogo, è opportuno verificare l’integrità e lo stato dell’isolamento termico delle tubazioni entro le quali scorrono i fluidi caldi. Qualora l’isolamento termico risultasse inadeguato e tale da non limitare efficacemente le dispersioni termiche attraverso le superfici delle condutture, il ripristino della coibentazione diventa indispensabile. Nel caso della stabilimento qui esaminato, l’isolamento termico delle tubazioni è apparso in buono stato e il problema non si è posto.

Bisogna poi fare presente al personale che opera nella zincheria di non sottovalutare la pratica di coprire il bagno di zinco con l’apposito coperchio, tutte le volte che la vasca dovrà rimanere inutilizzata a lungo, e di accertarsi sempre che tale manovra venga eseguita, in quanto consente di limitare notevolmente la dispersione calorica attraverso la superficie superiore del bagno, durante i periodi morti. Lo stesso vale anche per le vasche di pretrattamento, seppur con benefici molto più contenuti, essendo le temperature di gran lunga inferiori. Infatti, la copertura delle vasche (quando non utilizzate) contribuisce a ridurre le perdite di acqua e di calore dovute all’evaporazione e la quantità di fumi corrosivi che sfuggono dai bagni di trattamento.

Una delle anomalie di maggior rilievo riscontrate nell’impianto è stata il fatto che il ventilatore di aspirazione dei fumi funziona ininterrottamente anche nel corso della notte, quando i bruciatori arrivano a spegnersi. Questo ha un effetto negativo perché raffredda la vasca e induce i bruciatori a riaccendersi continuamente. Una volta riportata la temperatura al di sopra del limite fissato, il sensore a termocoppia che monitora la

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temperatura del bagno comanda ai bruciatori di ridurre l’apporto calorico al minimo, fino a farli spegnere. Tuttavia, dopo un certo tempo, dell’ordine di una decina di minuti, il raffreddamento provocato dall’azione del ventilatore fa scendere nuovamente la temperatura al di sotto di una soglia minima, i bruciatori si riaccendono e questo ciclo periodico si ripete, causando un considerevole spreco di energia. In questo caso, l’installazione di un inverter, oltre ad apportare benefici dal punto di vista elettrico come già esposto in precedenza, permetterebbe di risolvere anche questo problema tutt’altro che irrilevante. Infatti, nei periodi in cui l’aspirazione dei fumi non è necessaria, l’inverter comanderebbe al motore del ventilatore di azzerare o quantomeno di ridurre la propria velocità di rotazione e dunque la portata estratta. Il fenomeno del raffreddamento verrebbe quindi contenuto il più possibile e la vasca si manterrebbe ad una temperatura elevata per più tempo, non rendendo necessario l’intervento frequente dei bruciatori e il loro continuo on/off, ed evitando così l’inutile dispendio di gas naturale. Un’altra criticità è stata individuata nell’utilizzo dei fumi di scarico, che necessita sicuramente di essere ottimizzato. Infatti, il potenziale energetico dei gas caldi viene sfruttato solo in parte, e non sempre, a seconda del fabbisogno di energia termica dell’essiccatoio, mentre il resto viene perso rilasciando i fumi nell’atmosfera. Per valutare la possibilità di un utilizzo a cascata del calore di questi fumi è stata effettuata un’analisi dei principali flussi termici della zincheria, considerando per ciascuna delle misure modelli di calcolo semplici e ipotizzando che gli scambi di calore avvengano in regime stazionario.

7.2.1 Bilancio energetico e utilizzo a cascata del calore di scarto L’analisi energetica dell’impianto di zincatura a caldo permetterà di ottenere una stima quantitativa del potenziale energetico posseduto dai fumi di scarico, che costituisce un dato essenziale per procedere alla valutazione dei possibili interventi, della loro fattibilità e dei risparmi conseguibili. La legge di conservazione dell’energia applicata ad un sistema in regime stazionario e riferita all’unità di tempo afferma che

Se si considera in un primo momento soltanto il forno di zincatura, si ha che la potenza entrante coincide col calore fornito dagli otto bruciatori del forno, grazie alla combustione del gas naturale. Sapendo che il potere calorifico è 35857 kJ/m3 e che la portata di gas durante le ore di lavoro è di circa 81,3 m3/h = 0,02258 m3/s si ha che

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La potenza uscente dal forno è data principalmente dalla somma di quattro contributi: la potenza termica dispersa attraverso le pareti della vasca, la potenza termica dispersa attraverso il pelo libero del bagno di zinco, la potenza termica ceduta ai manufatti di acciaio per portarli alla temperatura di 450°C e persa quando i pezzi vengono estratti dalla vasca ed infine la potenza termica posseduta dai fumi in uscita dal forno. L’equazione del bilancio quindi diventa

La Figura 12 illustra in maniera schematica quanto esposto finora.

Figura 12. Schema dei flussi energetici del forno di zincatura

La potenza persa attraverso le pareti ha una valore molto piccolo, che di norma non supera il 2% della potenza termica totale introdotta nella vasca, grazie allo spesso strato di materiale a bassa conducibilità termica che circonda la vasca. Di conseguenza si ha che al massimo

Al contrario il calore perduto attraverso la superficie esposta dello zinco, che è abbastanza grande per consentire l'immersione dei grossi manufatti all’interno del bagno, è notevolmente maggiore. Diversi studi riguardanti gli impianti di zincatura a caldo e varie fonti attendibili indicano come riferimento per il calcolo delle perdite

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attraverso la superficie i valori compresi nell’intervallo 12 < < 17 kW/m2. Pertanto, considerando un valore medio per le perdite di 15 kW/m2 ed essendo la vasca lunga 7 m e larga 2 m, risulta

La potenza è stata valutata osservando che la temperatura dei manufatti, durante l’immersione nello zinco, viene innalzata da 120°C (temperatura di uscita dall’essiccatoio) a 450°C (temperatura del bagno di zinco) e che la quantità di acciaio processato è di circa 7 t/h. Essendo il calore specifico dell’acciaio pari a 500 J/kg ∙ °C, si ottiene

Sostituendo tutti i valori trovati nell’equazione del bilancio energetico

si trova che Una volta estratti dal forno, i fumi della combustione vengono utilizzati per preriscaldare i manufatti prima dell’immersione. Tale processo richiede una potenza pari a

Sapendo che la potenza spesa per il preriscaldamento è di 77,78 kW, che il calore specifico dei gas di combustione è 1090 J/kg ∙ °C, che la portata dei fumi è circa 976 m3/h = 0,358 kg/s e che la loro temperatura in uscita dal forno si aggira sui 600°C, è possibile calcolare la temperatura dei fumi in uscita dall’essiccatoio, tramite la seguente formula

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La temperatura con la quale è opportuno che i gas di scarico abbandonino l’impianto e raggiungano l’atmosfera è di 150°C, poiché temperature troppo basse determinerebbero la condensazione del vapore contenuto nei fumi e la formazione di una soluzione di acqua e anidride carbonica, che è acida abbastanza da causare problemi di corrosione alle condutture metalliche. Dunque, una volta fuoriusciti dall’essiccatoio, il potenziale energetico dei fumi ancora sfruttabile è

Una possibile strategia per ridurre gli sprechi ed ottenere un vantaggio economico potrebbe essere quella di recuperare tale potenza termica e utilizzarla per il riscaldamento delle vasche di pretrattamento, così da poter fare a meno dell’ausilio della caldaia. La caldaia, infatti, consumando circa 2,9 m3/h di gas naturale, fornisce alla vasca di sgrassaggio e di flussaggio un totale di

Il risultato ottenuto dimostra che la potenza termica recuperata è sufficiente a fornire alle vasche di trattamento il calore necessario a mantenerle alla temperatura di esercizio (circa 40°C) e che addirittura la restante parte potrebbe essere utilizzata per un parziale riscaldamento dei bagni acidi, il ché favorirebbe la cinetica delle reazioni chimiche di decapaggio, con la conseguente riduzione dei tempi di trattamento. La potenza termica persa nell’atmosfera si riduce pertanto a

Il risparmio di gas naturale che si riuscirebbe a realizzare in questo modo, considerando per il momento solo le ore diurne, sarebbe in un anno

che, con un prezzo del gas di circa 45 c€/m3, coincide ad un risparmio in denaro di

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Ore di inattività La situazione cambia durante le ore di inattività, quando i bruciatori erogano una quantità di calore molto minore e l’energia dei fumi viene totalmente persa, poiché nell’essiccatoio non vi è nessun manufatto da preriscaldare. In questo caso, considerata la diversa portata di gas consumata, la potenza termica fornita al forno è

La potenza perduta attraverso le pareti rimane più o meno dello stesso ordine di grandezza, quindi

Le dispersioni termiche attraverso la superficie dello zinco, durante i periodi di non utilizzo, vengono ridotte del 70% grazie alla collocazione sopra la vasca di un apposito coperchio. Di conseguenza, facendo riferimento per il calcolo ad un valore delle perdite = 5 kW/m2, si ottiene

La potenza ovviamente è uguale a zero, dato che nessun manufatto viene processato. L’equazione del bilancio energetico relativa alle ore di inattività della zincheria allora diventa

Dato che nessun manufatto deve essere preriscaldato, durante le ore di inattività i fumi di scarico possono essere utilizzati direttamente per il riscaldamento delle vasche. Di questi 38,5 kW, una parte potrà essere impiegata per il riscaldamento delle vasche e la restante parte verrà persa nell’atmosfera. Sapendo che la portata dei fumi adesso è 149 m3/h = 0,0546 kg/s si ha che

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°

°

°

e Tale potenza non è sufficiente al riscaldamento delle vasche, poiché queste richiedono una potenza termica di 28,88 kW, quindi una parte del calore dovrà essere fornito dalla caldaia, e cioè

Richiedendo una portata di gas pari a

e consumando nell’intero anno, considerando solo le ore di inattività, una quantità di gas pari a

molto minore dei 18514 m3 consumati a causa del mancato sfruttamento del potenziale energetico dei fumi di scarico. Il risparmio quindi sarebbe di

€ €

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€

Le rappresentazioni grafiche seguenti riassumono in maniera schematica quanto esposto a proposito dei flussi termici: Ore di lavoro

Vasca zinco

Manufatto

450째C

600째C

Essiccatoio 120째C

400째C

Vasche di trattamento

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Ore di inattività

Vasca zinco 450°C

600°C

Vasche di trattamento

Caldaia

L’ottimizzazione dello sfruttamento del potenziale energetico dei fumi può dunque permettere complessivamente il risparmio di 24133 m3 di gas naturale all’anno, che equivalgono ad una spesa evitata di 10.859,85 €/anno. Ipotizzando che il costo di acquisto e installazione di un adeguato recuperatore di calore sia di circa 15.000 €, il tempo di ritorno sarebbe

La durata del tempo di ritorno ottenuta appare particolarmente interessante e ciò costituisce un’ulteriore conferma della convenienza di tale investimento. Per di più, considerando che il fattore di emissione per il gas naturale è pari a 0,2 kg CO2/kWh e che il suo PCI è uguale a 9,54 kWh/m3, è possibile quantificare i benefici ambientali che tale intervento comporta, attraverso la seguente formula

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Tabella 9. Benefici conseguibili mediante lo sfruttamento ottimale dei fumi Apparecchiatura

Recuperatore di calore

Costo di acquisto â&#x201A;Ź 15000

Risparmio ottenibile m3/anno

Risparmio ottenibile

Tempo di ritorno Anni

â&#x201A;Ź/anno Ore di lavoro

6960

Ore di inattivitĂ 17173

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3132 7727,85

1,4

Conclusioni In un periodo come il nostro, nel quale i costi energetici sono in aumento e cresce la sensibilità verso le tematiche ambientali e il cambiamento climatico, il concetto di risparmio energetico è divenuto molto importante. In particolare nelle imprese, per le quali il costo dell'energia costituisce un fattore determinante, la gestione efficiente delle risorse energetiche rappresenta una priorità. Diversi studi compiuti in vari Paesi hanno dimostrato che nel settore industriale esistono opportunità di miglioramento dell'efficienza energetica e di riduzione degli sprechi significative, molte delle quali convenienti. Tuttavia, le industrie non sempre sono consapevoli dei possibili benefici che si potrebbero ottenere. L’utilità di condurre un Energy Audit risiede proprio in questo, e cioè nel fatto che esso costituisce uno strumento efficacissimo per l’individuazione delle potenzialità di risparmio esistenti e per la promozione di azioni concrete di riqualificazione energetica. I governi di alcuni Paesi, tra i quali l’Italia, hanno già adottato delle politiche a favore dell’Energy Audit, così che tale procedura possa affermarsi sempre di più e possa diventare una pratica comune fra le imprese e non solo. Tuttavia, è necessario che ulteriori sforzi vengano compiuti in questo senso, perché ancora oggi moltissime aziende di medie e piccole dimensioni non sono a conoscenza dell’esistenza e della convenienza della diagnosi energetica, né del guadagno che ne può derivare. Inoltre, non bisogna dimenticare che l’ottimizzazione della gestione dell’energia ha ripercussioni positive anche sull’ambiente, poiché contribuisce a limitare le emissioni di sostanze inquinanti e climalteranti. L’esecuzione sistematica della diagnosi energetica nei settori civile ed industriale contribuirà certamente al raggiungimento di un’economia più sostenibile.

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