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5/13/2018 Solare in Caseificio - slidepdf.com
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Scienza & Tecnica casearia
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Il solare incaseificio
Lo sfruttamento dell’energia del
sole mediante collettori termi-
ci solari costituisce una tra le
tecniche di riscaldamento di
un fluido, l’acqua, alternative
all’uso dei combustibili fossili. Attualmen-
te la tecnologia dei collettori solari è pie-
namente sviluppata e, per una realtà indu-
striale che deve affrontare costi energetici
in continua crescita, costituisce una pos-
sibile soluzione a supporto del fabbisogno
energetico a integrazione degli impianti di
generazione di acqua calda di processo ri-
chiedendo investimenti economicamentegiustificati.
Il recupero di energia mediante l’impiego di
collettori solari dipende, innanzi tutto, dalla
Lo sfruttamento dell’energia solare termica per la produzione di calore di processo e di servizio nell’industria casearia consente di ottenere significativi risparmi economici e di abbassare l’impatto ambientale dovuto all’uso di combustibili fossili.La Viessmann propone differenti soluzioni tecnologiche utilizzando le quali è stata compiuta presso il Politecnico di Milano una simulazione impiantistica per un caseificio in provincia di Caserta.
disponibilità complessiva di energia solare
che in Italia corrisponde a un irraggiamen-
to medio annuo compreso tra 1.100 e 1.700
kWh/m2 equivalente al contenuto energeti-
co di circa 100-170 litri di gasolio o di 100-
170 metri cubi di metano. Comunemente
un impianto solare, a seconda del colletto-
re impiegato, delle dimensioni e del posizio-
namento, consente di trasformare in calore
fino al 75% dell’irraggiamento globale, da-
to dalla somma di quello diretto e di quello
diffuso. In Italia un impianto a collettori so-
lari fornisce il massimo rendimento, ovvia-
mente nei mesi centrali dell’anno, con i col-lettori orientati verso sud e inclinati di 30°
rispetto al piano orizzontale; l’installazio-
ne risulta comunque conveniente anche in
condizioni sensibilmente scostate da quelle
ottimali, ossia con orientamento tra sud-est
e sud-ovest e inclinazione compresa tra 25
e 70°. Collettori posizionati secondo un gra-
do di inclinazione elevato forniscono una
produzione di energia maggiormente equi-
librata nell’arco dell’anno mentre un gra-
do di inclinazione basso, inferiore ai 20°, è
sconsigliabile in quanto ridurrebbe in mo-
do inaccettabile la capacità autopulente dei
collettori stessi.
La curva caratteristica di rendimento del
collettore è funzione del rendimento otti-
co (per effetto della riflessione del vetrodi copertura l’irraggiamento solare non vie-
ne totalmente assorbito) e della cessione
di calore per irraggiamento e convezione.
di Roberto Molteni
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Nella scelta del tipo di collettore, oltre al-
la disponibilità di spazio e alle condizioni
di installazione, bisogna considerare anche
la differenza di temperatura che si instau-
ra tra quella media del collettore e quella
dell’aria circostante in quanto il rendimen-
to ottico è massimo quando detta differen-
za è nulla.
Le soluzioni impiantistichetermico-solariPoiché l’impiego dell’energia solare termi-
ca non solo migliora il rendimento dell’im-
pianto di produzione di calore per i proces-
si industriali ma permette anche un signifi-
cativo risparmio energetico, la Viessmann(con sede italiana a Balconi di Pescantina,
Verona) ha sviluppato nuove applicazioni
destinate ai processi produttivi industriali
nell’ottica del risparmio energetico e della
riduzione delle emissioni inquinanti. L’im-
piego dei sistemi solari termici per i pro-
cessi industriali a bassa e media tempera-
tura costituisce una considerevole integra-
zione al fabbisogno di calore con conse-
guente interessante riduzione dei costi di
gestione.
I collettori solari piani o sottovuoto della Viessmann, a seconda della stagione e del-
la zona climatica, consentono di generare
calore con temperature oltre i 100 °C. Tale
tecnica permette di produrre direttamente
acqua calda e vapore per alcuni processi
industriali tra i quali generazione di vapo-
re, lavaggio, essiccazione, secrezione, ste-
rilizzazione, pastorizzazione. Nell’ambito
della produzione casearia, il solare termi-
co presenta un grande potenziale di appli-
cazione essendo richiesto in larga parte ca-
lore a temperature non superiori agli 80 °C
per i processi di pastorizzazione, di lavag-
gio, di CIP, di preriscaldamento del fluido
di lavoro (per esempio nella filatura o nel-
la alimentazione del generatore di vapore)
ecc. L’investimento medio per un impianto
solare termico applicato a un processo in-
dustriale può rientrare, grazie ai risparmi
ottenuti sul combustibile, in un periodo di
tempo compreso tra i 4 e i 6 anni, con una
riduzione dei costi energetici che, a medio
termine, potrebbe raggiungere il 50%. Inol-
tre, i tempi di ammortamento del costo del-
l’impianto sono destinati a ridursi ulterior-mente nel caso di sovvenzioni o incentivi
alla installazione di sistemi volti al rispar-
mio energetico.
Collettori termici solariLa Viessmann propone i collettori solari
della serie Vitosol realizzati secondo tre ti-
pologie costruttive tutte con superficie di
assorbimento con rivestimento Sol-Titan in
grado di assicurare un elevato assorbimen-
to delle radiazioni solari.
Il collettore Vitosol 100 è di tipo piano con
assorbitore in rame che presenta uno svi-luppo a meandro e tubazioni di collegamen-
to integrate con sistema a innesto con tubo
flessibile in acciaio inossidabile. Il rivesti-
mento è altamente selettivo, la copertura
è realizzata in vetro solare a basso conte-
nuto di ferro e l’efficace isolamento termi-
co permette un notevole sfruttamento del-
l’irraggiamento solare. Il collettore Vitosol
100 è disponibile con superficie di assorbi-
mento di 2,3 oppure di 4,76 m2 e può esse-
re installato in posizione sia verticale sia
orizzontale.
Il modello Vitosol 200 è un collettore solare
a tubi sottovuoto a flusso diretto. Il vuoto
nei tubi in vetro assicura il massimo isola-
mento termico evitando, così, le dispersio-
ni termiche tra tubo e assorbitore e consen-tendo di sfruttare anche le minime radia-
zioni diffuse. L’assorbitore è integrato nei
tubi sottovuoto e, pertanto, è protetto con-
tro gli agenti atmosferici e contro eventuale
sporcizia assicurando, in tal modo, un ren-
dimento costantemente elevato nel tempo. Il
collettore Vitosol 200, installabile sia in ver-
ticale sia in orizzontale, è realizzato secondo
Producibilità annua e specifica per un impianto di preriscaldamento acqua per la produzione di vapore
valutato per dimensioni del campo collettori tra i 50 e i 100 l/m 2 coll (linea continua) e di 70 l/m2 coll
(linea tratteggiata)
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Scienza & Tecnica casearia
il principio della modularità inserendo i sin-
goli tubi, mediante un sistema a innesto, nel
tubo collettore. I vari collettori sono connes-
si tra loro a innesto attraverso un tubo fles-
sibile in acciaio inossidabile. I vari tubi pos-
sono essere ruotati singolarmente per il loro
ottimale orientamento verso il sole.
Il collettore Vitosol 300 funziona in base al
principio heat-pipe secondo il quale il fluido
termovettore non scorre direttamente nei tu-
bi del collettore ma all’interno di uno specia-
le tubo termovettore collegato a un conden-
satore. Il fluido evapora per effetto delle radia-
zioni solari e quindi condensa cedendo calo-
re nello scambiatore di calore. I condensatori
sono completamente avvolti nello scambia-tore di calore a doppio tubo Duotec che pre-
senta una elevata capacità di assorbire il calo-
re e di cederlo al fluido termovettore che cir-
cola all’esterno dello scambiatore. I tubi, che
possono essere ruotati singolarmente sul pro-
prio asse per un orientamento ottimale verso
il sole, sono collegati “a secco”, ossia senza
contatto diretto tra il flui-
do termovettore e la mi-
scela acqua-glicole, sem-
plificando l’installazione
e l’eventuale sostituzio-
ne dei tubi che avviene
senza la necessità di
svuotare l’impianto.
Questi collettori tro-
vano tipica applica-
zione negli impian-
ti soggetti a lunghi
periodi di stagna-
zione, ossia con ir-
raggiamento elevato sen-
za prelievi, grazie anche al limitatore ditemperatura integrato che protegge il col-
lettore da eventuali surriscaldamenti.
Le caldaie integrabilicon la tecnologia solareLa caldaia Vitomax 200 HS è un generato-
re di vapore ad alta pressione a gasolio/gas
corrispondente al grup-
po IV della direttiva spe-
cifica per i generatori di
vapore e alle disposizioni
TRD. La pressione massi-
ma di esercizio può esse-
re di 6, 8, 10, 13 e 16 bar
(a richiesta sono ottenibi-
li pressioni maggiori fino a
25 bar) e la caldaia, a tre gi-
ri di fumi con ridotto carico
termico in camera di com-
bustione, assicura una for-
mazione ridotta di emissioni
inquinanti. La camera vapore
di grandi dimensioni e l’ampia superficie di evaporazione con separatore di
gocce integrato forniscono un elevato tito-
lo del vapore. Il generatore presenta ridot-
te dispersioni termiche grazie all’isolamen-
to termico avvolgente da 120 mm di spesso-
re, alla scatola di raccolta dei gas di scarico
con isolamento termico e alla parete fron-
Presso il Politecnico di Milano, in collaborazione
con la European Environmental Company e conriferimento agli impianti solari e termici della
Viessmann è stato effettuato lo studio sulla
possibilità di integrazione di un impianto solare
termico per la produzione del calore di processo
necessario alle lavorazioni di un caseificio. Tale
studio di fattibilità intende evidenziare il potenziale
solare a uso produttivo applicato alla lavorazione
casearia nonché effettuare una prima valutazione
tecnico-economica di un intervento in modalità
“ESCo Solare” (Energy Service Company). Si
è inteso, quindi, definire una configurazione
impiantistica in grado di soddisfare sia le esigenze
del cliente, ossia una integrazione poco invasivadel processo produttivo e una riduzione dei costi
energetici e delle emissioni inquinanti, sia quelle
della ESCo, ossia un intervento redditizio, di facile
gestione e di alta replicabilità. L’intervento ESCo
prevede, tra l’altro, che il cliente non si occupi
minimamente di tutto ciò che riguarda l’impianto
solare a partire dalla ricerca del finanziamento
fino alla progettazione, installazione e gestione
dell’impianto stesso; ciò che il cliente vedrà sarà il
solo calore solare e pagherà una “bolletta solare”
collegata al calore fornito.
Il progetto ha comportato l’analisi dei consumi
(valutazione in termini energetici del ciclo
produttivo e stima dei consumi relativi alla
generazione del calore di processo),
l’analisi dell’intervento (definizione dell’impianto
solare, simulazione delle prestazioni energetiche)
e l’analisi economica (ipotesi di finanziamento
dell’investimento e tariffazione dell’energiasolare, valutazione dei benefici per l’utente del
servizio e per la ESCo).
Lo studio è stato condotto per il caseificio La
Baronia in località Castel di Sasso presso Caserta.
La costruzione è idonea alla installazione di un
campo di collettori solari in quanto il tetto è piano e
presenta una superficie disponibile di circa 500 m2
e una orientazione di circa 25° S-SO.
Attualmente il calore destinato ai processi di lavoro
è prodotto da due generatori di vapore alimentati
a GPL di 600 e 400 kW di potenza utilizzati in
parallelo con funzionamento istantaneo. Il vapore
è utilizzato a perdere in un ciclo aperto senzapossibilità di recupero del calore di scarto.
L’analisi del fabbisogno di calore è stata compiuta
per la produzione di mozzarella di bufala e di ricotta
(escludendo altre lavorazioni poco significative in
termini energetici quali mozzarella fior di latte e
formaggi non freschi) e per le attività di gestione
degli impianti quali, essenzialmente, i lavaggi
dei macchinari, delle cisterne e degli ambienti
di lavoro. Il fabbisogno energetico giornaliero
medio stimato (con variazioni stagionali limitate)
è di circa 1.500 kg di vapore corrispondenti
a circa 1.000 kWh termici (1 kg di vapore alla
temperatura di 119 °C contiene una quantità di
energia pari a circa 2.500 kJ).
Il consumo di combustibile per la produzione di
calore è pari a 99.700 litri di GPL all’anno, a fronte
di una stima di fabbisogno termico a uso produttivo
di 332 MWh termici, e mostra un’alta inefficienza
nella generazione e distribuzione del calore.Lo studio, che non prevede modifiche al ciclo
produttivo per possibili utilizzi del calore solare
direttamente nelle lavorazioni, presenta due
varianti di impianto per l’integrazione del solare
termico. La prima prevede l’utilizzo del calore
solare come solo preriscaldamento dell’acqua in
ingresso ai generatori. Nel caso fosse necessaria
l’installazione di più accumuli, è previsto un
collegamento in serie in modo da massimizzare
la stratificazione e quindi la producibilità
dell’impianto. La seconda prevede l’utilizzo
diretto del calore solare per gli impieghi a bassa
temperatura non di processo (i lavaggi). Questaconfigurazione di impianto prevede due possibili
destinazioni dell’acqua calda dell’impianto solare,
a seconda delle esigenze: da un lato si prevede
l’installazione all’interno del locale lavorazioni di un
rubinetto di acqua in temperatura, dall’altro la linea
solare si inserirà direttamente nella linea di acqua
fredda sul lato lavaggio cisterne. In questo caso,
i serbatoi saranno collegati in parallelo tra loro,
in modo da garantire la maggiore quantità di acqua
a uno stesso livello di temperatura. Utilizzando il
software TRNSYS sono state effettuate simulazioni
dinamiche del funzionamento del sistema per
valutare la producibilità attesa al variare della
dimensione del campo collettori e dei volumi di
accumulo. Per la prima variante, si sono considerati
volumi specifici di accumulo tra i 50 e i 70 l/m2collettore
e superfici del campo collettori tra 40 e 100 m2.
Studio di fattibilità di un impianto solare termico in un caseificio
il latte • maggio 2007
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tale raffredda-ta ad acqua non-ché ridotte per-dite di carico dallato gas di scaricograzie alla superfi-cie di scambio ter-mico convettivo contubi fumo di grandidimensioni. La cal-daia ha un ridottoconsumo di energia con un rendimen-to in funzione della pressione massima
di esercizio fino al91% inoltre può es-sere ulteriormenteaumentato lo sfruttamento del-l’energia tramite lo scambiato-
re di calore fumi/acqua per il preriscaldamento dell’acqua
di alimentazione che può es-sere ottenuto anche tramitel’impiego e il collegamento
con collettori solari.La caldaia Vitoplex 100 LS èun generatore di vapore a
bassa pressione a tre giridi fumo alimentato a ga-solio/gas. È una caldaia a basso carico termicoin camera di combu-stione con camera
di vapore di grandidimensioni ed ele- vata superficie
di evaporazio-ne. La poten-zialità va da
1.700 a 1.450kW con produzio-
ne di vapore da 260 a 2.000 kg/h. La pressione massima di esercizio è 1 bar e ilrendimento stagionale giunge fino al 91%.Per abbassare i consumi energetici è pos-sibile effettuare il preriscaldamento dell’ac-qua di alimentazione utilizzando un impian-to a collettori solari.
z
Impianto
Numero
collettori
63 (tipo Vitosol
100 SH1)
Superficie netta 146 m2
Superficie totale 160 m2
Volume totale
accumulo10 m3
Numero accumuli 2
Resa
energetica
Producibilità
annua
138
MWh/anno
Producibilità
specifica
945
kWh/m2/anno
Frazione solare 20%
Energia primaria
risparmiata
180
MWh/anno
Le simulazioni hanno mostrato una scarsasensitività al volume di accumulo evidenziando
valori di producibilità molto buoni (superiori a 800
kWh/m2 /anno) per dimensioni
del campo fino a 60 m2. Per la seconda variante
i volumi di accumulo sono compresi
tra 50 e 100 l/m2collettore
e il campo collettori
tra 50 e 200 m2. In questo caso i risultati
sono decisamente più confortanti, garantendo
producibilità specifiche superiori agli 800 kWh/m2 /
anno per tutte le simulazioni effettuate.
Considerazioni economiche
La selezione della configurazione miglioreper variante è stata effettuata attraverso una
valutazione del risparmio atteso sulla durata di vita
dell’impianto (20 anni) e considerando le limitazioni
legate alle superfici disponibili.
I parametri economici considerati sono stati: prezzo
del combustibile (€ 0,082 kWh con un tasso di
incremento annuo del 5%); tasso di attualizzazione
(7% annuo); costo operativo dell’impianto
(1,5% della producibilità annua, con un
incremento annuo del 5%); costo annuo di
manutenzione (2% del costo di investimento, con
un incremento annuo pari all’inflazione, ossia 2%);
vita utile dell’impianto (20 anni).
Gli impianti risultanti sono stati i seguenti.
Per la prima variante: un campo collettori da 60 m2
e 3.000 litri di accumulo.
In questo caso si prevede un VAN (valore
attualizzato netto) atteso a 20 anni pari a circa €
29.000. Per la seconda: un campo collettori da 160
m2 e 10.000 litri di accumulo con un valore atteso
a 20 anni di circa € 140.000.
La soluzione scelta è stata la variante
due, le cui caratteristiche sono evidenziate
in tabella. Di questo impianto è stata quindi
realizzata un’analisi di possibile contratto di tipo
“ESCo” in cui il cliente non partecipa al
finanziamento iniziale e paga solo l’energiaprodotta dall’impianto solare.
Ai parametri economici e finanziari prima
considerati sono stati aggiunti l’IVA sulla vendita
dell’energia solare pari al 20% e il costo del denaro(per un mutuo di durata pari a quella contrattuale)
del 5% e gli introiti da certificati bianchi con prezzo
pari a € 85/tep. Sono state fatte simulazioni
economiche dell’intervento per durate di contratto
di 10, 13 e 15 anni mostrando il comportamento
al variare del costo di vendita dell’energia solare
(in un range compreso tra il costo del GPL e uno
sconto su questo del 40%).
I risultati delle simulazioni economiche hanno
mostrato una redditività dell’impianto molto alta.
Senza incentivi pubblici, per esempio,
un contratto di 15 anni permetterebbe alla ESCo
di vendere l’energia con uno sconto del 6%rispetto al prezzo di riferimento (GPL) realizzando
al termine del contratto circa € 36.000 (VAN15
)
con un TIR (tasso interno di rendimento)
pari al 10%: il cliente vedrà un guadagno di
circa € 55.000 (VAN20
). Ipotizzando un sussidio
pubblico del 30% le possibili soluzioni contrattuali
aumentano considerevolmente.
Infatti, garantendo un livello minimo di reddito
dell’intervento (così ipotizzati: per la ESCo, VAN a
termine contratto pari a € 20.000, TIR a termine
contratto 10%; per il cliente, VAN a 20 anni pari a
€ 60.000), all’aumentare della durata di contratto
aumenta la possibilità di sconto sul prezzo di
vendita dell’energia.Si passa quindi da un contratto di 10 anni e sconto
fino al 10% a sconti fino al 20 e al 30% per durate
rispettivamente di 13 e di 15 anni.
il latte • maggio 2007
Scienza & Tecnica casearia
Il Vitosol 200 in basso e il Vitosol 100
a destra