Mejoras tecnológicas en eficiencia energética en vidrio

Fecha: 21 de febrero de 2023

Autores: Alessandra Cantini, Leonardo Leoni, Saverio Ferraro, Filippo De Carlo, Chiara Martini, Fabrizio Martini y Marcello Salvio

Fuente:Procesos 2022, 10(12), 2653

DOI:https://doi.org/10.3390/pr10122653

(Este artículo pertenece al número especial de Tecnologías para sistemas de energía climáticamente neutros)

La industria del vidrio consume mucha energía y consume aproximadamente entre 500 y 700 millones de GJ cada año. Reemplazar equipos ineficientes por equipos de mejor rendimiento es una buena estrategia para reducir el consumo de energía de una planta de vidrio. Dado que existen muchas soluciones alternativas, la elección de qué mejora tecnológica implementar suele ser difícil. Por tanto, es fundamental una revisión de soluciones para reducir el consumo energético en una planta de vidrio. La literatura ofrece estudios similares, pero no están suficientemente actualizados y no representan el estado actual del arte, que conviene actualizar. Por lo tanto, este documento tiene como objetivo proporcionar una lista actualizada de soluciones alternativas, agrupándolas en diferentes categorías (por ejemplo, la etapa del proceso).

Además, este artículo investiga la aplicabilidad actual de soluciones de ahorro de energía en Italia. En concreto, se considera una muestra de 103 empresas italianas y se analiza el tipo de intervenciones que las empresas implementaron recientemente o que pretenden adoptar. Se realizaron análisis estadísticos y económicos cuantitativos para resaltar las soluciones más populares y determinar su rentabilidad. Los resultados muestran que la mayoría de las intervenciones consisten en sustitución de maquinaria por otras más eficientes, principalmente en sistemas auxiliares (132 de 426). El resultado de este documento podría representar una guía para seleccionar soluciones de ahorro de energía.

El proceso de producción en las plantas de fabricación de vidrio suele consumir mucha energía y grandes cantidades de recursos. Se estimó que el proceso de fabricación de vidrio consume alrededor de 5÷÷7 GJ por tonelada de vidrio producido [1], y la producción mundial de vidrio es de aproximadamente 100 millones de toneladas/año [2]. En todo el mundo, los productos de vidrio son producidos por 1141 empresas y grupos en 91 países, con una capacidad total diaria de más de 500 toneladas/día (https://plants.glassglobal.com/login/ (consultado el 27 de mayo de 2021)) [3 ]. En Italia, la producción de vidrio asciende a aproximadamente 6 millones de toneladas/año, con aproximadamente 2,7 Mt de CO2 producidas y un consumo de 970 millones de Sm3/año de gas natural (aproximadamente el 1% del consumo nacional de gas natural) [4].

Dado el importante impacto que tiene la industria manufacturera en la sostenibilidad ecológica global y considerando la creciente presión económica introducida por un mercado competitivo y la reducción de los recursos energéticos disponibles, se ha convertido en una preocupación primordial optimizar la eficiencia energética de los sistemas de producción [5,6 ]. Desde esta perspectiva, para reducir el consumo energético en el sector del vidrio, es posible actuar tanto a nivel tecnológico como de gestión. Centrándonos en los aspectos tecnológicos, una de las estrategias a seguir es mejorar las plantas de producción modificando o sustituyendo equipos ineficientes por otros de mejor rendimiento y menos intensivos en energía [7]. Las intervenciones pueden considerar tanto los activos que componen el proceso de producción de vidrio como los sistemas auxiliares (por ejemplo, motores, compresores). Otros sectores proponen análisis de intervenciones tecnológicas para la eficiencia energética de los procesos de fabricación, como la industria del cemento [8] y la industria de fundiciones [9].

El proceso de producción de vidrio se puede dividir en cuatro macrofases, como (i) preparación por fusión, (ii) fusión y refinación, (iii) acondicionamiento y moldeado, y (iv) acabado (ver Figura 1).

Según la Figura 1, el proceso productivo comienza con la preparación de la fusión, la cual comienza luego del suministro de materias primas. La principal materia prima utilizada para producir vidrio es la arena (70-72%), principalmente en forma de sílice, que actúa como agente vitrificante en el proceso químico. A la arena se añaden varios componentes, incluido un agente de fusión (carbonato de sodio, 14%), un estabilizador (piedra caliza, 10%), óxidos para determinar las características físico-químicas y, a menudo, restos de vidrio (cullet). Una vez obtenidas las materias primas, durante la preparación de la fusión, se pesan, se muelen y se mezclan en la cantidad adecuada para obtener las propiedades requeridas por el producto final. A esto le sigue la fase de fusión y refinado, en la que los materiales se calientan gradualmente hasta unos 1.500 grados Celsius. Inicialmente se elimina parte del agua y se realiza una fase de oxidación para permitir la disociación de carbonatos y sulfatos. A continuación, la mezcla se calienta en un horno hasta que la masa de vidrio se derrite, lo que se facilita mediante la adición de sustancias fundentes.

Luego, este compuesto se trata mediante procesos de refinación y decoloración/coloración según los requisitos del mercado. El proceso de refinado elimina la presencia de posibles burbujas de gas mediante agentes refinadores, mientras que la decoloración se realiza con la ayuda de óxidos. La fase de fusión es la que consume más energía, y esto se debe principalmente al horno de fusión que calienta el vidrio por combustión, contacto de electrodos o métodos mixtos [10]. A continuación, durante la fase de acondicionamiento y moldeado, se distingue el proceso de producción del vidrio según el producto final a conseguir, el cual se puede clasificar en cuatro tipos diferentes: vidrio plano, vidrio para envases, vidrio especial y fibra de vidrio [11]. El vidrio plano se utiliza normalmente en los sectores de la construcción y la automoción (por ejemplo, láminas y vidrio flotado para la construcción residencial y comercial, aplicaciones automotrices, encimeras y espejos).

El vidrio para envases puede, a su vez, clasificarse en vidrio hueco y vidrio blanco de calidad para los sectores de alimentación y bebidas, perfumería y farmacéutico, respectivamente. Los productos de vidrio especial pertenecen al sector doméstico (por ejemplo, vidrio prensado y soplado para vajillas, utensilios de cocina, iluminación, televisores, pantallas de cristal líquido, equipos de laboratorio y comunicaciones ópticas). Finalmente, las fibras de vidrio se pueden clasificar en lana de vidrio para aislamiento o fibras textiles/de refuerzo. En esta etapa, los activos del proceso cambian según el producto. En general, la masa de vidrio fundida, refinada y enfriada, después de haber reposado, sale del horno a través de canales, ingresando a sistemas de flujo llamados “antecorazones” que transportan el vidrio fundido hasta las máquinas formadoras. Luego de pasar por los canales y completar el acondicionamiento, el vidrio ingresa a las máquinas formadoras, donde toma su forma definitiva [11]. Finalmente, la fase de acabado determina las características superficiales requeridas para el producto final.

Para potenciar una mayor eficiencia energética en la planta de fabricación de vidrio, para cada operación del proceso productivo se desarrolló una amplia variedad de soluciones tecnológicas. Los Documentos de Referencia de las Mejores Técnicas Disponibles (BREF) relacionados con la fabricación de vidrio son el documento de referencia que se utilizará en el sector del vidrio para lograr una mayor eficiencia energética [12]. La Unión Europea creó los BREF como publicaciones que sirven como directrices para mejorar la eficiencia energética. Además de los BREF, en la literatura se pueden encontrar otras soluciones de eficiencia energética aplicables a activos tecnológicos. Por ejemplo, en la fase de preparación de la fusión, las soluciones se refieren a básculas para el pesaje computarizado de componentes [12], sistemas de transporte de materias primas para precalentar lotes y vidrios de vidrio [11,12,13] y molinos para mejorar la eficiencia energética [14 ] y para moler y mezclar simultáneamente [15].

En la fase de fusión y refinación, las soluciones de ahorro de energía se refieren principalmente a hornos de fusión, quemadores y electrodos. El trabajo de Bauer et al. [16] sugiere la instalación de sistemas termovoltaicos en las paredes de la maquinaria para recuperar el calor disipado. En la fase de acondicionamiento y moldeo, las soluciones se refieren a máquinas de moldeo y altos hornos, y algunas soluciones abordan su sustitución por modelos de oxicorte o calentados eléctricamente [11]. Finalmente, para la fase de acabado, las soluciones se refieren a maquinaria, como hornos para reducir pérdidas o la instalación de tipos más eficientes [11]. Las soluciones ampliamente propuestas se refieren a la mejora de la maquinaria mediante la modernización, especialmente para los activos tecnológicos que consumen mucha energía o con altas pérdidas de energía, como hornos de fusión, quemadores y altos hornos [11].

Sin embargo, la multitud de alternativas ofrecidas en el mercado dificulta la elección de qué intervención de mejora tecnológica adoptar. El resultado es que las empresas interesadas en una transición ecológica están desconcertadas y no pueden elegir la mejor tecnología de producción en la que invertir. Por estos motivos, en la literatura científica ya se han realizado esfuerzos para desarrollar una revisión de las principales tecnologías para superar los problemas energéticos y minimizar el consumo energético [12,17,18]. Sin embargo, esta literatura no está suficientemente actualizada y no considera los avances tecnológicos logrados durante la última década. Además, si bien las soluciones propuestas se dividen según la fase del proceso a la que se refieren (preparación de fusión, fusión y refinado, acondicionamiento y moldeado, y acabado), no existe una clasificación sintética que resuma las alternativas disponibles, dividiéndolas también según la activo específico sobre el que actúan. Por último, faltan pruebas reales de la aplicabilidad actual de este tipo de soluciones en contextos empresariales reales.

Para llenar este vacío, el presente trabajo persigue dos objetivos. El primer objetivo es proporcionar una lista actualizada de oportunidades tecnológicas de ahorro energético para las plantas de producción de vidrio, dividiéndolas tanto por las fases del proceso como por el activo involucrado. El segundo objetivo es mapear la situación italiana actual y las perspectivas futuras. Para ello se analizó una muestra de empresas, extrayendo consideraciones estadísticas sobre acciones de ahorro energético implementadas recientemente y soluciones sobre activos tecnológicos propuestas para los próximos años. La información necesaria para el presente estudio se tomó de las evaluaciones energéticas (EA) de 103 diferentes instalaciones de fabricación de vidrio en Italia, que fueron completadas por empresas de la industria del vidrio para cumplir con el artículo 8 del Decreto Legislativo 102/2014, la implementación italiana de la Directiva de Eficiencia Energética (DEE) 2012/27/UE.

Toda la información proporcionada en el presente artículo podría ser de utilidad para empresas del sector del vidrio que busquen una guía para mejorar su consumo energético y su sostenibilidad. Centrándose en las oportunidades tecnológicas, este artículo se refiere únicamente a soluciones relativas a los equipos de producción de vidrio. La discusión excluye soluciones relativas a la iluminación o calefacción de la nave industrial donde se ubica la planta [19]; soluciones relativas a las actividades de control de calidad, mantenimiento y envasado de productos (que se encuentran aguas abajo del proceso de producción) [12,20]; y soluciones relativas a la instalación de sensores que, a pesar de ser tecnologías, se suelen utilizar junto con software y sistemas informáticos para implementar soluciones de gestión (control y optimización de procesos) [21]. Por el contrario, se han tenido en cuenta soluciones relacionadas con sistemas auxiliares, no despreciables para la eficiencia energética del proceso de fabricación del vidrio.

El resto del presente documento es el siguiente: La Sección 2 describe el enfoque seguido para alcanzar los objetivos. En la Sección 3, aplicando la metodología propuesta, se ofrece una lista actualizada de tecnologías disponibles y se muestra un análisis del escenario italiano. La sección 4 proporciona una discusión de los resultados. Finalmente, la Sección 5 presenta las conclusiones.

El Parlamento Europeo y el Consejo emitieron la Directiva sobre Eficiencia Energética (DEE) en octubre de 2012 con el objetivo de lograr una reducción del 20% en el uso de energía antes de 2020 [22]. Para garantizar que se cumplan los objetivos europeos y allanar el camino para avances adicionales en eficiencia energética (EE) después de 2020, la EED desarrolla un marco compartido de medidas para la promoción de la EE. El artículo 8 del marco establecido exige que las empresas afectadas creen auditorías energéticas (EA). Una EA es un documento sistemático necesario para analizar posibles inversiones futuras en tecnologías de ahorro de energía [8]; la recopilación es obligatoria y se exige cada cuatro años a las organizaciones grandes y/o que consumen mucha energía. Específicamente, cada EA incluye detalles precisos sobre la ubicación de la instalación, algunas características corporativas generales, el tipo de proceso de fabricación y el tipo de productos terminados.

El Gobierno italiano implementó la DEE en 2014 (al aprobar el Decreto Legislativo N° 102/2014, que fue actualizado más recientemente por el Decreto Legislativo N° 73/2020), ampliando la obligación para incluir una clase particular de empresas de uso intensivo de energía. En Italia, el requisito de EA se aplica tanto a las grandes empresas como a las de uso intensivo de energía, que son las que utilizan más de 1 GWh de electricidad y reciben exenciones fiscales en sus facturas de electricidad. Estas empresas están incluidas en las bases de datos del Fondo de Servicios Energéticos Ambientales (CSEA). En Italia, la gestión y la implementación de las áreas marco de la EED están confiadas a la Agencia Nacional Italiana para las Nuevas Tecnologías, la Energía y el Desarrollo Económico Sostenible (ENEA), encargada de reunir las EA. Para ello, se utiliza el portal web Audit102 (https://audit102.enea.it/ (consultado el 26 de octubre de 2022)), y se ponen a disposición de ENEA bases de datos tanto sobre consumo como sobre intervenciones a nivel de sitio.

Para el objetivo de este trabajo, los datos más pertinentes son los relacionados con las intervenciones que las empresas italianas llevaron a cabo entre 2015 y 2019 y las que identificaron en los EA que se considerarán para su implementación entre 2019 y 2022. Estos datos fueron analizados tanto actualizar la lista de soluciones de ahorro de energía con nuevas soluciones de los EA y confirmar las que ya están disponibles en la literatura. Al recopilar información sobre las tecnologías de producción implementadas y planificadas, será posible indicar cómo se desarrollará el sector del vidrio en los próximos años.

Se siguió una metodología de tres pasos para proporcionar una lista actualizada de oportunidades tecnológicas de ahorro de energía en 103 plantas de fabricación de vidrio y determinar qué intervenciones son actualmente más consideradas en Italia. Los datos adquiridos se ingresaron en una base de datos de hoja de cálculo y se utilizaron para aumentar el número de soluciones técnicas (ver Tabla A1, Tabla A2, Tabla A3, Tabla A4 y Tabla A5 en el Apéndice A, fuentes en cursiva).

2.1. Investigación de oportunidades tecnológicas de ahorro de energía

Se consultó la literatura científica para buscar oportunidades tecnológicas para reducir el consumo de energía en una planta de producción de vidrio. Al explorar las bases de datos en línea Google Scholar y Scopus e ingresar palabras clave como “oportunidades energéticas en la fabricación de vidrio”, “tecnologías del vidrio” y “ahorro de energía en la planta de vidrio”, se identificaron 40 artículos de interés. Los resultados de este estudio se utilizaron para crear una lista de soluciones tecnológicas de ahorro de energía, asociando cada alternativa de la lista con la fuente bibliográfica consultada para identificarla (Tabla A1, Tabla A2, Tabla A3, Tabla A4 y Tabla A5 en el Apéndice A). ). Las soluciones tecnológicas encontradas se subdividieron según la fase del proceso y la maquinaria sobre la que actuaban.

Para validar el contenido de la Tabla A1, Tabla A2, Tabla A3, Tabla A4 y Tabla A5, se analizó una muestra de 103 empresas italianas. Estas empresas estaban ubicadas en Italia, como se muestra en la Figura 2, y se caracterizaban por los procesos de producción descritos en la Figura 1. A las empresas se les entregó un cuestionario estructurado en el que se les pedía que respondieran dos preguntas abiertas. Primero, qué soluciones tecnológicas de ahorro de energía implementaron en los últimos 4 años. En segundo lugar, qué soluciones pretendían implementar en los próximos años. El resultado del cuestionario fue útil para ampliar la lista de soluciones tecnológicas, añadiendo a la literatura oportunidades creadas mediante la consulta a industriales experimentados.

El listado de soluciones tecnológicas divididas por fase de proceso, máquina de producción y tipo de producto final proporciona a las empresas una herramienta sintética para mejorar su sostenibilidad. De hecho, una empresa genérica que desee reducir el consumo de energía en un área/máquina específica de la planta puede consultar el presente documento para identificar rápidamente las alternativas disponibles.

2.2. Panorama general de la situación italiana actual

Se analizaron los resultados de los cuestionarios para ver cuáles de las soluciones tecnológicas se implementaron en Italia en los últimos 4 años y cuáles se propusieron como acciones futuras. Al calcular la frecuencia de selección de cada solución, se recopiló información estadística. En particular, se estimó el grado de aplicación de diferentes soluciones tecnológicas en el contexto italiano, definiendo el número y tipo de intervenciones llevadas a cabo en los últimos años. Por otro lado, se puede tener una idea de las perspectivas futuras de desarrollo de las tecnologías en Italia considerando el número y el tipo de intervenciones propuestas. Para cada EA del sector del vidrio se analizó la siguiente información:

Como se indica en las Ecuaciones (1) y (2), el cálculo de las frecuencias fa,i y fs,i se obtiene de la relación entre el número de observaciones y el número total de observaciones. En este caso, el número total de observaciones es igual a la dimensión de la muestra (SD, que es 103 empresas). La figura 2 muestra una representación esquemática.

Es importante recordar que, dentro del proceso de producción de vidrio, algunas soluciones pueden tener una aplicabilidad limitada. De hecho, aunque las macrofases del proceso son las mismas para cada tipo de producto (ver Figura 1), debido a la variabilidad y al sector de uso final, los activos tecnológicos son diferentes. Por ejemplo, los productos de vidrio plano realizan operaciones de conformado continuo mediante laminación o trefilado. Los productos de vidrio para envases, por otro lado, requieren prensado, soplado o moldeado en moldes especiales. Además, puede haber productos para los que solo se requiere un procesamiento secundario y no todas las organizaciones realizan el ciclo de producción completo. Para producir una representación más realista de las tendencias relacionadas con las tecnologías adoptadas en los sitios de vidrio, se calcularon datos estadísticos sobre la frecuencia de las intervenciones aplicadas y propuestas a partir de las ecuaciones (3) y (4):

donde referencia_SD indica la muestra secundaria de sitios que consideran tales intervenciones. Los nuevos valores de frecuencia pueden proporcionar una estimación del estado actual y futuro de las tecnologías más relevantes en la industria del vidrio italiana.

2.3. Análisis económico cuantitativo de las intervenciones de ahorro energético recopiladas

Las EA recopiladas en la base de datos de Audit102 generalmente incluían datos cuantitativos relacionados con las intervenciones implementadas e identificadas. Se ha desarrollado un enfoque estandarizado para analizar la información sobre soluciones de ahorro energético, asignando el área de intervención calculando el ahorro total en toneladas equivalentes de petróleo (tep), y calculando indicadores y estadísticas del sector del vidrio. Inicialmente, las intervenciones en la base de datos Audit102 se asignaron a más de 300 áreas, mientras que actualmente están asignadas a 17 áreas de intervención. Luego, se describen los resultados, clasificándolos en categorías de intervención, que pueden ser técnicas (p. ej., 'sistemas de presión' y 'centrales térmicas y sistemas de recuperación de calor') o de gestión, como la introducción o mejora de un sistema de seguimiento y la adopción. de certificación ISO 50001 o cursos de formación.

Se proporcionan cifras sobre diferentes tipos de ahorro de energía, a saber, ahorros de electricidad, energía térmica, combustibles para el transporte (cuando corresponda) y otros ahorros. Otros ahorros se refieren a una combinación de ahorros eléctricos y térmicos cuyo desglose en los dos componentes no estaba disponible en la auditoría energética, o a ahorros de otros vectores energéticos. Estas cifras se refieren a los ahorros logrados para las intervenciones implementadas pero a los ahorros potenciales para las sugeridas (futuras). En cuanto a las intervenciones identificadas, los ahorros potenciales representan un umbral máximo, ya que no todas las intervenciones serán seleccionadas para su implementación y su introducción se diferiría en el tiempo. Por esta razón, en el siguiente análisis, estas intervenciones también podrían denominarse "intervenciones sugeridas".

La base de datos también cubre el CAPEX y, en el caso de las intervenciones implementadas, se proporcionan indicadores económicos adicionales, como el tiempo de recuperación simple, calculado sin incentivos. Sobre la base de la información de la base de datos, el ahorro de energía global, medido en tep, puede calcularse y clasificarse como ahorro de energía final o primario; este último se refiere a las áreas de intervención técnica “cogeneración y trigeneración” y “producción a partir de fuentes de energía renovables”. ”.

Utilizando información sobre CAPEX y ahorro de energía, se calculó un indicador de rentabilidad de la energía ahorrada para cada intervención, medida en euros invertidos por tep. El indicador se estima tanto para las EPIA implementadas como para las identificadas, como lo ilustra la Ecuación (5):

El código NACE de la empresa y de cada sitio se puede utilizar para desarrollar análisis sectoriales. Estos datos fueron recopilados y analizados para determinar las razones que llevaron a las empresas a adoptar una solución de ahorro de energía específica en lugar de otras. En comparación con la Sección 2.2, esta fase permite analizar las intervenciones adoptadas desde un punto de vista económico, considerando tanto el costo de inversión como los ahorros energéticos esperados asociados con cada intervención considerada.

En Italia, se han identificado 103 sitios de producción de vidrio y se les ha pedido que presenten una evaluación ambiental. La mayor densidad de sitios se encuentra en la región del Véneto con 21 ocurrencias, seguida por la región de Lombardía con 20 ocurrencias (Figura 3). En la muestra compuesta por 103 sitios, las regiones del norte de Italia (Liguria, Piamonte, Lombardía, Trentino-Alto Adigio, Véneto, Friuli-Venecia Julia, Emilia-Romaña) tienen una mayor densidad de sitios con un total de 69 instalaciones de producción de vidrio. . Las regiones del centro de Italia (Toscana, Las Marcas, Umbría, Lacio) cuentan con 24 centros de producción, mientras que los 10 centros restantes se encuentran en el sur de Italia (Abruzos, Campania, Apulia, Sicilia).

De las 103 EA surgió que todas las empresas realizan actividades de preparación y acabado de materias primas. Un total de 53 empresas realizan todo el ciclo productivo (todas las fases de la Figura 1). El ciclo de producción proporciona seis tipos de productos terminados, como se muestra en la Tabla 1. La mayoría de los sitios en la muestra de análisis producen vidrio hueco (49%), en particular para uso farmacéutico, alimentario y doméstico, seguido por la producción de sistemas de acristalamiento. (40%). Los otros tipos de productos son la fibra de vidrio (5%); vidrio flotado (4%); el procesamiento secundario de vidrio hueco (3%); y otros productos como mosaicos, tejas, vidrios para aisladores eléctricos, ojos de buey (2%) y tubos de vidrio (1%), respectivamente.

Tabla 1. Tipo de productos terminados producidos por 103 plantas de producción de vidrio italianas.

Finalmente, en cuanto al tipo de materia prima utilizada (ver Tabla 2) para el proceso de producción de vidrio, de las 103 EA, el 50% de los sitios utilizan vidrio discontinuo, seguido por el uso de vidrio de desecho y lámina, con porcentajes respectivos de 46% y 37%. Se encontró que las varillas de vidrio (8%), el vidrio hueco para decoración (3%) y el cristal virgen (1%) tenían valores de utilización bajos.

Tabla 2. Tipo de materia prima.

3.1. Tecnologías de ahorro de energía de los EA

Las intervenciones tecnológicas implementadas y propuestas por las organizaciones italianas de fabricación de vidrio se obtuvieron del análisis de los EA, como se explica en la Sección 2.1. El Cuadro 3 muestra la lista de intervenciones implementadas y propuestas (cuarta columna) ordenadas por proceso de producción (primera columna). Para facilitar la comprensión, la columna dos muestra la máquina de proceso asociada con la solución y la columna tres el objetivo de la solución. Finalmente, las columnas restantes reportan información cuantitativa sobre el número de aplicaciones detectadas por los EA y su frecuencia. La tabla se ha elaborado contemplando los resultados de las intervenciones propuestas en la literatura científica para la eficiencia energética del proceso de producción de vidrio. Por esta razón, las soluciones que también se encuentran en la literatura en la Tabla 3 (y no solo en los EA) se informan en cursiva.

Tabla 3. Resultados de las EA de producción de vidrio italiana.

A partir del análisis de los 103 EA para el sector del vidrio, es posible identificar la relevancia y utilización de determinadas soluciones. De hecho, soluciones con no nulosfrelevant_a,i Los valores representan soluciones de eficiencia energética muy implementadas en los últimos años por las empresas italianas. Por otro lado, las intervenciones con no nulosfrelevant_s, yo Los valores representan soluciones aún no implementadas pero que están cercanas a su compra y aplicación. Es posible afirmar que las soluciones con altafrelevant_a,iLos valores representan soluciones de eficiencia energética establecidas dentro de la industria, mientras que las soluciones con altofrelevant_s, yoLos valores indican intervenciones que las empresas están muy interesadas en aplicar para lograr eficiencia energética y ahorro económico.

Los resultados de las 103 EA se analizaron para determinar el número de intervenciones propuestas y realizadas por fase del proceso (Figura 4), por maquinaria de proceso (Figura 5) y por tipo de producto terminado (Figura 6).

En cuanto a las macrofases del proceso de producción de vidrio (ver Figura 1), los resultados de la Tabla 3 muestran un alto interés en los servicios auxiliares, con 44 intervenciones implementadas y 132 intervenciones propuestas (ver Figura 4). Entre las macrofases, los procesos de fusión y refinación y de acabado son los que presentan mayores valores de intervención. En el primero se implementan más intervenciones (72) que las propuestas (43), y viceversa para la fase final, con 30 intervenciones implementadas y 80 propuestas, respectivamente. Los resultados de las intervenciones en las fases del proceso muestran que, en los últimos 4 años, se ha prestado gran atención a la fusión y el refino, así como a los servicios auxiliares, mediante la implementación de soluciones energéticamente eficientes. En cambio, en los próximos cuatro años los grandes cambios se dirigirán hacia los servicios auxiliares y la fase de acabado. Pocas soluciones se destacan en la fase anterior del proceso (preparación de fusión) y en la fase intermedia (acondicionamiento y moldeo). Los resultados podrían atribuirse al hecho de que las empresas pueden estar más interesadas en mejorar mucho los procesos que consumen mucha energía, como la fusión, el refinado y el acabado.

Los datos también se pueden analizar considerando la máquina de proceso de cada fase (ver Figura 5). Las intervenciones más populares son las de hornos (56), sistemas de presión (32) y sistemas de recuperación de calor (26). De hecho, los hornos resultan ser activos que consumen mucha energía y están diseñados para fusión y refinación (47 soluciones) y acabado (9 soluciones). La intervención más común para estas máquinas consiste en modernizarlas para garantizar una mayor eficiencia [6,11,12]. Al igual que con los hornos, la mayoría de las intervenciones para los sistemas de recuperación de calor se refieren a la fase de fusión y refinado (20 soluciones), en las que el foco principal es la instalación de hornos regenerativos al final de su vida útil [11,23]. Por otro lado, las intervenciones realizadas en sistemas a presión afectan principalmente a sistemas auxiliares (26 soluciones). Para estos activos, las soluciones más comunes implementadas se refieren a la renovación de maquinaria (motores, bombas, compresores, etc.).

Diferentes resultados se refieren a las intervenciones propuestas, de las cuales la mayoría son para sistemas de presión (94), motores (55) y sistemas de recuperación de calor (45). En cuanto a las intervenciones implementadas, los sistemas de presión se preocupan más por el proceso que involucra sistemas auxiliares (70 soluciones), principalmente para la reducción de pérdidas de aire comprimido en uniones de tuberías y puntos sujetos a fugas [11,12,24]. Asimismo, las soluciones propuestas para la eficiencia de los motores se refieren a los sistemas auxiliares (35 soluciones), principalmente mediante la instalación de motores de alta eficiencia (clase IE2, IE3 e IE4), y la instalación de inversores en motores ya presentes en el mercado. sistema. En cambio, las soluciones propuestas para los sistemas de recuperación de calor involucran principalmente la fase de fusión y refinado (19 soluciones) y la fase de acabado (16 soluciones). Para la fase de fusión y refinado, las intervenciones más propuestas se refieren al uso de intercambiadores de calor de placas para el precalentamiento indirecto de vapor o cascote [11], y a la sustitución de los sistemas de recuperación disponibles por otros que utilicen metano o fluidos orgánicos como vectores de calor. (Intercambiadores tipo ORC). Finalmente, es necesario resaltar que las maquinarias poco involucradas en el análisis de los EA son el antesolador, el moldeo, la maquinaria de acabado, los refrigeradores y los sistemas de transporte, tanto para las intervenciones implementadas como para las propuestas.

El sector del vidrio en Italia produce varios tipos de productos terminados (ver Tabla 1). Al combinar los resultados del análisis de EA (Tabla 3) y las familias de productos terminados, es posible comentar sobre la relevancia de las intervenciones implementadas y propuestas (ver Figura 6). La mayoría de las intervenciones realizadas se refieren a empresas productoras de vidrio hueco, con 116 casos detectados. Este resultado se debe principalmente a que el vidrio hueco es el tipo de producto más procesado por las empresas italianas. Sin embargo, si consideramos las intervenciones ponderadas por el número de sitios de producción, los valores altos los alcanzan el vidrio tubo (4 intervenciones), el vidrio flotado (10 intervenciones) y otros vidrios (5 intervenciones). De hecho, los tubos de vidrio son producidos por una sola empresa en el territorio y el vidrio flotado por cuatro empresas, mientras que los demás productos son producidos por dos empresas. El número de intervenciones en sistemas de acristalamiento, que, a pesar de ser el segundo tipo de producto más extendido en el territorio, sólo registra 17 ocurrencias, lo que parece poco ponderado. En cuanto a las intervenciones propuestas, las que cuentan con mayor número de soluciones son el vidrio hueco y los sistemas de acristalamiento, con 134 y 82 soluciones, respectivamente. Del mismo modo, al considerar los sitios de producción, las empresas que se ocupan de otros productos son las que planifican más intervenciones (14).

3.2. Análisis económico de los EA

Si se analizan todas las intervenciones implementadas e identificadas en el sector del vidrio, los ahorros de energía final logrados representan el 0,7% del consumo de energía final, mientras que los ahorros potenciales de energía final constituirían un 0,9% adicional. Como se explicó en el apartado anterior, tanto para las intervenciones implementadas como identificadas, el foco de este artículo se centra en soluciones tecnológicas relacionadas con las fases de producción, sistemas auxiliares y sistemas de recuperación de calor.

En las EA analizadas se enumeraron un total de 40 sitios de producción que proporcionaron información cuantitativa sobre las intervenciones implementadas, y los correspondientes ahorros de energía final se muestran en la Tabla 4. La información cuantitativa se identifica en cuatro grupos: 'sistemas de presión', 'centrales de energía térmica'. y sistemas de recuperación de calor», «motores, inversores y otras instalaciones eléctricas», y «líneas y máquinas de producción». Las líneas de producción determinan grandes ahorros de energía y las mayores inversiones económicas (tanto totales como promedio). En este ámbito se incluyen las intervenciones sobre el horno eléctrico o de combustible, coherentes con las soluciones tecnológicas mostradas en la Tabla 3, y éstas se representan en gran medida mediante la sustitución del horno existente por uno más moderno y eficiente. Los sistemas de presión son el segundo ámbito, tanto en términos de ahorro como de inversión total, mientras que las centrales térmicas y los sistemas de recuperación de calor son el segundo ámbito en términos de inversión media. Los datos cuantitativos promedio mostrados en las Tablas 4 y 5 se calcularon como un promedio del número de sitios de producción que informaron información cuantitativa.

Tabla 4. Ahorros energéticos producidos por las intervenciones tecnológicas implementadas. El ahorro total anual se calcula como la suma del ahorro de energía térmica, electricidad y combustible.

Cuadro 5. Inversiones requeridas para aplicar intervenciones tecnológicas.

Se calculó un indicador de costo-efectividad para cada área de intervención, estimado como se muestra en la Tabla 6. La información disponible permitió calcularlo para 27 de las 40 intervenciones recopiladas cuantitativamente, reportando información tanto sobre ahorro de energía como sobre costos. El área de 'sistemas de presión' muestra un valor ventajoso del indicador, confirmando que se trata de un tipo de medida con una gran aplicabilidad. 'Motores, inversores y otras instalaciones eléctricas', así como 'líneas de producción y máquinas', tienen valores medios del indicador de rentabilidad, mientras que el área 'centrales térmicas y sistemas de recuperación de calor' tiene el valor relativo más bajo del indicador.

Tabla 6. Indicador de costo-efectividad para cada área de intervención.

En las EA examinadas se identificaron un total de 162 sitios de producción que proporcionaron información cuantitativa sobre las intervenciones sugeridas. Para efectos de este análisis, como ya se explicó para las intervenciones implementadas, se clasifican en cuatro grupos que no afectan el proceso de producción ni los sistemas auxiliares, como, por ejemplo, iluminación, intervenciones de gestión y producción a partir de fuentes renovables. Las Tablas 7 y 8 resumen los ahorros de energía final, junto con los costos de inversión indicados por aquellos sitios de producción que propusieron, en EA, un estudio de viabilidad. En el Cuadro 9 se presentan los indicadores de costo-efectividad calculados para las intervenciones sugeridas. Se estimaron estudios de viabilidad para lograr ahorros eléctricos en todas las áreas y al mismo tiempo obtener importantes ahorros térmicos en las áreas de 'centrales térmicas y sistemas de recuperación de calor' y 'líneas de producción y máquinas'. El mayor ahorro energético se produjo en el área de 'centrales térmicas y sistemas de recuperación de calor'.

Como se observa en las intervenciones implementadas, aquellas en líneas de producción se asociaron con un alto potencial de ahorro, y le siguen los costos de inversión más significativos (Cuadro 8). Esta área muestra un indicador de rentabilidad relativamente bueno y, como se muestra en la Tabla 3, la mayoría de las soluciones tecnológicas se aplican a los hornos. En cuanto a las intervenciones implementadas, en este caso la sustitución de hornos representa una elevada proporción de las intervenciones. La rentabilidad de las 'centrales térmicas y sistemas de recuperación de calor' está alineada con la de las intervenciones en las líneas de producción, pero la última área tiene un tiempo de recuperación significativamente más corto (PBT). Las intervenciones en sistemas de presión tienen el mejor valor del indicador costo-efectividad, mientras que aquellas en líneas de producción muestran el mejor valor para PBT (Tabla 9).

Tabla 7. Ahorros de energía evaluados para las intervenciones tecnológicas sugeridas. El ahorro total anual se calcula como la suma del ahorro de energía térmica, electricidad y combustible.

Cuadro 8. Inversiones evaluadas para las intervenciones sugeridas.

Tabla 9.Tiempo de recuperación de la inversión para cada área de intervención.

Las intervenciones tecnológicas sugeridas también pueden analizarse distinguiendo su clase PBT (ver Figura 7). En este caso, 146 de 162 intervenciones reportan información cuantitativa. Las intervenciones sugeridas con PBT entre 1 y 2 años representan el 28% (4,2 ktep/año) del ahorro potencial anual total. Otro 15% de ahorro potencial está asociado a intervenciones con un PBT de entre 3 y 5 años (2,2 ktep/año).

Por último, la Figura 8 muestra que la mitad del ahorro potencial (6,8 ktep/año) puede lograrse adoptando intervenciones con un PBT inferior a 3 años y movilizando el 12% de la inversión total asociada a las intervenciones sugeridas (alrededor de EUR 4,4 millones). Esto pone de relieve el hecho de que las intervenciones relativamente menos costosas están asociadas con un alto potencial de ahorro, y esa tendencia parece aún más significativa si se considera que los mecanismos de incentivos existentes no se incluyen en el cálculo del PBT.

Como se muestra en la Figura 4, el proceso de producción de vidrio presenta numerosas intervenciones posibles para mejorar la eficiencia energética, principalmente relacionadas con sistemas auxiliares o con tecnologías en las fases del proceso de fusión, refinado y acabado. En lo que respecta a los sistemas auxiliares, la mayoría de las soluciones encontradas por las AE se refieren a futuras intervenciones (132). A su vez, la mayoría de estas soluciones se refieren a sistemas de presión y motores. Para ambos objetos de intervención, las mejoras propuestas versan principalmente sobre la modernización de la maquinaria con sistemas más eficientes.

De hecho, la inversión media necesaria para implementar las intervenciones sugeridas en los sistemas de presión es relativamente baja (alrededor de 45.000 euros). En cambio, la inversión media para intervenciones en motores ronda los 65.000 euros. En términos de rentabilidad, como ya se destacó, los sistemas de presión tienen el mejor valor del indicador. Si observamos la proporción (ver Figura 6) de estas dos áreas en diferentes clases de PBT, la proporción de sistemas de presión disminuye al aumentar la clase de PBT, lo que muestra que esta área se caracteriza por un retorno de la inversión relativamente corto. Por el contrario, el área de intervención relacionada con los motores tiene la mayor participación en las clases PBT entre 2 y 3 años y entre 3 y 5 años.

En resumen, los sistemas de presión parecen estar asociados con la mayoría de los retornos inmediatos, mientras que las intervenciones en los motores son interesantes cuando se consideran los indicadores económicos, pero es probable que se planifiquen debido al papel clave de los dispositivos asociados en el proceso de producción. Por otro lado, en cuanto a las fases del proceso, la fusión y el refino es la que presenta un mayor número de intervenciones realizadas (72). De hecho, esta fase implica en gran medida activos de la planta que consumen mucha energía, que deben alcanzar y mantener temperaturas extremadamente altas durante toda la fase de fusión. En la fase del proceso de refino se realizan la mayoría de las intervenciones en hornos y sistemas de recuperación de calor. En particular, en el caso de los hornos, la mayoría de las intervenciones comunicadas se refieren a la renovación de la maquinaria, así como al aislamiento de las paredes. Tanto las intervenciones implementadas como las propuestas en la clasificación de grupos de líneas de producción se caracterizan por inversiones relativamente altas en comparación con las intervenciones en otras áreas.

Además, en términos de inversiones, los sistemas de recuperación de calor son el segundo área caracterizada por mayores inversiones relativas (ver Tabla 8). La mayoría de las intervenciones en líneas de producción se encuentran en las dos primeras clases de PBT. Por el contrario, los sistemas de recuperación de calor se concentran en las dos clases centrales, con PBT entre 3 y 5 años y entre 5 y 10. En cambio, la fase final ve la mayoría de las intervenciones de interés en los próximos años (80). Una cuarta parte de estas intervenciones están dirigidas a sistemas de presión, la mayoría de ellas a reducir las pérdidas de aire comprimido. Como ya se destacó, los sistemas de presión son un área de intervención muy interesante en relación con todos los indicadores económicos para las intervenciones sugeridas, como la inversión promedio, la rentabilidad y el PBT.

Por último, es necesario señalar que algunas de las tecnologías de eficiencia energética encontradas en la literatura no son realmente tomadas en cuenta por las 103 empresas italianas. Una primera justificación puede deberse al estado de avance tecnológico de la solución, que puede estar en etapa inicial o en declive. Las tecnologías en etapa inicial pueden considerarse emergentes. En consecuencia, el beneficio real de su aplicación aún no está del todo claro. Por otra parte, las tecnologías de última etapa se consideran obsoletas. En consecuencia, representan intervenciones menos eficientes y más costosas con respecto a otras soluciones. Finalmente, otra posible justificación para la no aplicación de determinadas tecnologías resulta ser un gran cambio en el proceso productivo al definir cambios destructivos.

La mejora de la eficiencia energética de las empresas es cada vez más relevante tanto en términos del impacto económico (percibido en el corto plazo) como del impacto ambiental (percibido en el medio y largo plazo). En este contexto, varios sectores industriales están involucrados e interesados ​​en mejorar el rendimiento energético. Anteriormente, las investigaciones han propuesto indicaciones de ahorro energético para diferentes sectores, como la industria de la fundición [9] y del cemento [8]. Entre los sectores, la fabricación de vidrio consume mucha energía y consume a nivel mundial alrededor de 45.000 TJ al año. Las intervenciones tecnológicas de la industria del vidrio aún no han sido investigadas. Por ello, se realizó un análisis detallado de las soluciones tecnológicas de eficiencia energética. Se proporcionó un listado actualizado de oportunidades tecnológicas de ahorro energético, dividiéndolas tanto por las fases del proceso como por el activo involucrado. El análisis muestra evidencia de todas las soluciones de la literatura como base del estado del arte. Estas soluciones se complementaron con todas las intervenciones destacadas por los asesores ejecutivos de 103 plantas de producción de vidrio distribuidas en toda Italia.

Como se mencionó anteriormente, una EA es un documento sistemático necesario para analizar posibles inversiones futuras en soluciones de ahorro de energía. Los análisis energéticos proporcionan resultados estadísticos de las intervenciones realizadas y propuestas por las empresas italianas, dividiéndolas por fase del proceso, maquinaria de proceso y tipo de producto final elaborado. Además, a partir de los datos económicos de las EA, se identificaron las relaciones monetarias para la aplicación y aplicabilidad de determinadas tecnologías. Los análisis energéticos y económicos no consideraron soluciones para iluminación y calefacción de plantas, procesos posteriores para control de calidad y embalaje de productos, ni soluciones para la instalación de sensores. Por el contrario, se consideraron soluciones para sistemas auxiliares, que no son despreciables en términos de eficiencia energética. Es relevante resaltar que los resultados del análisis estadístico y económico podrían representar una guía para las empresas dispuestas a mejorar su sostenibilidad. Sin embargo, la selección de una solución óptima depende de decisiones estratégicas que podrían ser específicas de la empresa.

Los resultados de las EA muestran que la mayoría de las soluciones se refieren a intervenciones propuestas más que a intervenciones implementadas. Entre ellos, los sistemas auxiliares se consideran con mayor frecuencia para la mejora y modernización de sistemas de presión y motores. En cambio, desde el punto de vista del proceso de producción, entre las cuatro fases identificadas del proceso de fabricación de vidrio, la fusión, el refinado y el acabado son fases de particular interés. En concreto, en la fase de fusión y refino, la mayoría de las intervenciones implementadas se refieren a hornos y sistemas de recuperación de calor. Por otro lado, en la fase de acabado, la mayoría de las soluciones propuestas se refieren a intervenciones en sistemas de presión, sistemas de recuperación de calor y motores. En cambio, no se encontraron muchas soluciones para la fase de preparación y acondicionamiento de la fusión, ni tampoco para la de moldeo.

Desde el punto de vista del producto terminado, Italia muestra particular interés en la producción de vidrio hueco y sistemas de acristalamiento, para los cuales se reporta el mayor número de intervenciones propuestas e implementadas. Sin embargo, si se compara con el número de centros de producción utilizados, los tipos de productos, como tubos de vidrio y otros productos, alcanzan valores elevados. Por lo tanto, se puede afirmar que, aunque no se trata de tipos de productos muy populares en Italia, son aquellos para los cuales las empresas, en promedio, implementan y proponen el mayor número de soluciones, por lo que se consideran de gran interés.

Desde un punto de vista económico y energético, el análisis de las intervenciones implementadas enumeradas en la EA muestra valores interesantes de ahorro logrado. El ahorro de energía final se puede calcular considerando varias áreas de intervención técnica, técnico-gerencial y de gestión, excluyendo la cogeneración/trigeneración y la producción a partir de fuentes renovables. Las intervenciones descritas en los EA por parte de las empresas obligadas están asociadas a la consecución de un ahorro de energía final equivalente al 0,7% del consumo de energía final en el sector del vidrio. El alcance de una EA es describir la estructura del consumo de energía a nivel del sitio, identificar los índices de desempeño energético y compararlos con los de la literatura. Luego, además de esto, los EA tienen como objetivo identificar las oportunidades de ahorro de energía más efectivas. Las soluciones identificadas en los EA, de implementarse, estarían asociadas con un ahorro de energía final equivalente al 0,9% del consumo de energía final del sector del vidrio.

El foco de este artículo se centró en un grupo específico de intervenciones, relacionadas con áreas tecnológicas relevantes para el proceso productivo, sistemas auxiliares y sistemas de recuperación de calor. Sin embargo, este enfoque puede verse como una limitación del estudio, de modo que el trabajo futuro pueda abordar otros tipos de mejoras además de los equipos de producción de vidrio. Existen interesantes oportunidades de ahorro de energía en todos los ámbitos, aunque se diferencian en términos de inversión, rentabilidad y PBT. Es muy probable que las tecnologías utilizadas en el proceso de producción, así como las características económicas a nivel del sitio, influyan en la identificación y elección de las intervenciones. Actualmente, es probable que el aumento de los precios de la energía tenga un efecto general al reducir el PBT, pero también afecte negativamente la voluntad y capacidad de la empresa para adoptar nuevos proyectos de inversión.

En este trabajo se lograron dos objetivos que representan el mayor aporte tanto para los profesionales como para los investigadores. El primero fue proporcionar una lista actualizada de oportunidades tecnológicas de ahorro de energía para las plantas de producción de vidrio. El segundo objetivo es mapear la situación italiana actual y las perspectivas futuras. Un posible desarrollo futuro podría ser el análisis del estado actual y tecnológico de las empresas de vidrio en otros países, comparando así las prácticas comunes y destacando las motivaciones detrás de ciertas elecciones.

Además, es interesante comprobar periódicamente qué soluciones realmente se han implementado y cuáles otras se proponen según los avances tecnológicos y la normativa internacional. Además, otro posible desarrollo futuro podría ser el análisis de otros sectores productivos altamente consumidores de energía ubicados en Italia. Finalmente, cabe mencionar que este trabajo no demuestra cuál es la mejor solución en general, lo que está fuertemente relacionado con las necesidades/limitaciones de cada empresa. De hecho, las empresas podrían dar diferentes prioridades a distintos aspectos (por ejemplo, económicos, medioambientales, etc.). En consecuencia, un posible desarrollo de investigación futuro podría ser explotar un modelo de toma de decisiones multicriterio (MCDM) para definir la mejor solución a adoptar en un contexto determinado.

Conceptualización, AC, LL, SF y FDC; metodología, AC, LL, SF y FDC; software, CM, MS, FM, AC y LL; validación, AC, LL, SF, FDC, FM, MS y CM; análisis formal, AC, LL, SF y CM; investigación, AC, LL, SF y CM; recursos, CM y MS; curación de datos, AC, LL, SF y CM; redacción: preparación del borrador original, SF; redacción: revisión y edición, AC, LL, FDC, CM, FM y MS; visualización, SF.; supervisión, FDC; administración de proyectos, FDC, FM y MS; adquisición de financiación, MS y FM Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Este trabajo forma parte de la Investigación del Sistema Eléctrico (PTR 2019-2021), implementada en el marco de Acuerdos de Programa entre el Ministerio de Desarrollo Económico de Italia y ENEA, CNR y RSE SpA.

No aplica.

No aplica.

Los datos están contenidos en el artículo.

Los autores agradecen el apoyo técnico brindado por la Asociación Italiana de Fabricantes de Vidrio.

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.