Mejoras Tecnológicas de Eficiencia Energética en Vidrio

Jul 24, 2023

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 a la edición especial Tecnologías para sistemas de energía neutrales al clima)

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 alternativas de solución, la elección de qué mejora tecnológica implementar suele ser difícil. Por lo tanto, una revisión de soluciones para reducir el consumo de energía en una planta de vidrio es fundamental. La literatura ofrece estudios similares, pero no están suficientemente actualizados y no representan el estado actual del arte, que debe ser actualizado. 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 documento investiga la aplicabilidad actual de las 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 destacar las soluciones más populares y determinar su rentabilidad. Los resultados muestran que la mayoría de las intervenciones consisten en sustituir maquinaria por otra más eficiente, 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 requiere una gran cantidad 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 alrededor de 100 millones de toneladas/año [2]. En todo el mundo, 1141 empresas y grupos fabrican productos de vidrio 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 producidos y un consumo de 970 millones de Sm3/año de gas natural (aproximadamente el 1% del consumo nacional de gas natural) [4].

Dado el impacto significativo que la industria manufacturera tiene en la sostenibilidad ecológica global y considerando la creciente presión económica introducida por un mercado competitivo y la reducción de los recursos energéticos disponibles, optimizar la eficiencia energética de los sistemas de producción se ha convertido en una preocupación primordial [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 mediante la modificación o sustitución de equipos ineficientes por otros de mayor rendimiento y menor consumo energético [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 las fundiciones [9].

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

De acuerdo con la Figura 1, el proceso de producción comienza con la preparación de la fusión, que comienza después de suministrar las 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. Se agregan varios componentes a la arena, incluido un agente de fusión (ceniza de sosa, 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, estas son pesadas, molidas y mezcladas en la cantidad adecuada para obtener las propiedades requeridas por el producto final. A esto le sigue la fase de fusión y refinación, en la que los materiales se calientan gradualmente hasta unos 1500 grados centígrados. Inicialmente se elimina parte del agua y se lleva a cabo una fase de oxidación para permitir la disociación de carbonatos y sulfatos. Luego, la mezcla se calienta en un horno hasta que la masa de vidrio se derrita, facilitada por la adición de sustancias de fusión.

Este compuesto luego se trata a través de procesos de refinación y decoloración/coloración de acuerdo con 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 atribuye 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, que 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 (p. ej., láminas y vidrio flotado para la construcción residencial y comercial, aplicaciones para la automoción, encimeras y espejos).

El vidrio de envase puede clasificarse a su vez en vidrio hueco y vidrio blanco de calidad para los sectores de alimentación y bebidas, perfumería y farmacia, respectivamente. Los productos especiales de vidrio pertenecen al sector del hogar (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 como lana de vidrio para aislamiento o fibras textiles/de refuerzo. En esta etapa, los activos del proceso cambian según el producto. Por lo general, la masa de vidrio fundida, afinada y enfriada, luego de haber reposado, sale del horno a través de canales, ingresando a sistemas de flujo llamados "antecofres" que transportan el vidrio fundido a las máquinas formadoras. Después de pasar por los canales y completar el acondicionamiento, el vidrio ingresa a las máquinas formadoras, donde toma su forma final [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 desarrollaron una gran variedad de soluciones tecnológicas. Los documentos de referencia de 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 pautas 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 materia prima para precalentar lotes y desperdicios [11,12,13] y molinos para mejorar la eficiencia energética [14]. ] y para moler y mezclar simultáneamente [15].

En la fase de fusión y refinado, 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 las máquinas de moldeo y los altos hornos, y algunas soluciones se ocupan de su sustitución por modelos oxicombustibles 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 a través de la renovación, especialmente para activos tecnológicos que son muy intensivos en energía o con altas pérdidas de energía, como hornos de fusión, quemadores y altos hornos [11].

Sin embargo, la multitud de alternativas que ofrece el mercado dificultan la elección de qué intervención de mejora tecnológica adoptar. El resultado es que las empresas interesadas en una transición ecológica están desconcertadas e incapaces de elegir la mejor tecnología de producción en la que invertir. Por estas razones, en la literatura científica ya se ha hecho un esfuerzo por desarrollar una revisión de las principales tecnologías para superar los problemas energéticos y minimizar el consumo de energía [12,17,18]. Sin embargo, esta literatura no está lo suficientemente actualizada y no considera los desarrollos tecnológicos logrados durante la última década. Además, aunque las soluciones propuestas se dividen según la fase del proceso a la que se refieren (preparación de fusión, fusión y refinado, acondicionamiento y moldeo, y acabado), no existe una clasificación sintética que resuma las alternativas disponibles, dividiéndolas también según la activo concreto sobre el que actúan. Finalmente, falta evidencia real de la aplicabilidad actual de tales soluciones en contextos comerciales 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 según las fases del proceso y 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 estudio actual se tomó de las evaluaciones energéticas (EA) de 103 instalaciones de fabricación de vidrio diferentes 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 (EED) 2012/27/EU.

Toda la información proporcionada en el presente trabajo puede ser de utilidad para las empresas del sector del vidrio que buscan una guía para mejorar su consumo energético y su sostenibilidad. Centrándose en las oportunidades tecnológicas, este artículo se refiere únicamente a las 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 relacionadas con el control de calidad, el mantenimiento y las actividades de 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 los 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 las tecnologías disponibles y se muestra un análisis del escenario italiano. La sección 4 proporciona una discusión de los resultados. Finalmente, la Sección 5 reporta las conclusiones.

El Parlamento Europeo y el Consejo emitieron la Directiva de Eficiencia Energética (EED) 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 EE. El artículo 8 del marco establecido requiere que las empresas afectadas creen auditorías energéticas (EA). Una EA es un documento sistemático que es necesario para analizar futuras inversiones potenciales en tecnologías de ahorro de energía [8]; la recolección es obligatoria y se requiere cada cuatro años para organizaciones grandes y/o de alto consumo energético. 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 EED en 2014 (aprobando el Decreto Legislativo No. 102/2014, que fue actualizado más recientemente por el Decreto Legislativo No. 73/2020), ampliando la obligación de incluir una clase particular de empresas intensivas en energía. En Italia, el requisito de EA se aplica tanto a las grandes empresas como a las empresas intensivas en energía, que son las que usan 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 de Energía Ambiental (CSEA). En Italia, la gestión y la implementación de las áreas marco de la EED están a cargo de la Agencia Nacional Italiana para las Nuevas Tecnologías, la Energía y el Desarrollo Económico Sostenible (ENEA), encargada de recopilar 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 de consumos como de intervenciones a nivel de obra.

Para el objetivo de este trabajo, los datos más pertinentes son los relacionados con las intervenciones que las firmas italianas llevaron a cabo entre 2015 y 2019 y las que identificaron en los EA a considerar 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 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 para determinar qué intervenciones son las más consideradas actualmente en Italia. Los datos adquiridos se ingresaron en una base de datos de hoja de cálculo y se utilizaron para aumentar la cantidad 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 de energía en la fabricación de vidrio", "tecnologías de 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, agregando a la literatura oportunidades las creadas por la consulta de industriales experimentados.

La lista de soluciones tecnológicas dividida 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. Resumen de la situación italiana actual

Los resultados de los cuestionarios se analizaron para ver cuáles de las soluciones tecnológicas se implementaron en Italia en los últimos 4 años y cuáles se propusieron como acciones futuras. Mediante el cálculo de 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 realizadas en los últimos años. Por otro lado, una idea de las perspectivas de desarrollo futuro de las tecnologías en Italia se logra considerando el número y tipo de intervenciones propuestas. Para cada EA del sector 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 muestral (DE, que son 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, si bien las macrofases del proceso son las mismas para cada tipo de producto (ver Figura 1), debido a la variabilidad y sector de uso final, los activos tecnológicos son diferentes. Por ejemplo, los productos de vidrio plano realizan operaciones de formación continua por laminación o estirado. 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 requiera 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, los datos estadísticos sobre la frecuencia de las intervenciones aplicadas y propuestas se calcularon 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 de Energía Recolectada

Las EA recopiladas en la base de datos 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 se asignan a 17 áreas de intervención. Luego, se describen los resultados, clasificándolos en categorías de intervención, que pueden ser técnicas (por ejemplo, 'sistemas de presión' y 'centrales térmicas y sistemas de recuperación de calor') o gerenciales, como la introducción o mejora de un sistema de monitoreo y la adopción de certificación ISO 50001 o cursos de formación.

Se proporcionan cifras relativas a los diferentes tipos de ahorro de energía, a saber, ahorro de electricidad, energía térmica, combustibles para el transporte (cuando corresponda) y otros ahorros. Otros ahorros se refiere a una combinación de ahorros eléctricos y térmicos para los que no se dispuso de la desagregación en los dos componentes en la auditoría energética, oa 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 sería diferida en el tiempo. Por esta razón, en el siguiente análisis, estas intervenciones también podrían denominarse "intervenciones sugeridas".

CAPEX también está cubierto por la base de datos 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 referido a las áreas de intervención técnica "cogeneración y trigeneración" y "producción a partir de fuentes de energía renovables". ".

A partir de la información de CAPEX y ahorro energético, se calculó un indicador de coste-efectividad de energía ahorrada para cada intervención, medida en euros invertidos por tep. El indicador se estima tanto para las EPIA implementadas como para las identificadas, tal como lo ilustra la Ecuación (5):

El código NACE para la empresa y para cada sitio se puede utilizar para desarrollar análisis específicos del sector. 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 de energía esperados asociados con cada intervención considerada.

En Italia, se identificaron 103 sitios para la producción de vidrio y se les pidió que proporcionaran una EA. La mayor densidad de sitios se encuentra en la región de Veneto con 21 ocurrencias, seguida por la región de Lombardía con 20 ocurrencias (Figura 3). En la muestra constituyente de 103 sitios, las regiones del norte de Italia (Liguria, Piamonte, Lombardía, Trentino-Alto Adige, Veneto, Friuli-Venezia Giulia, Emilia-Romagna) tienen una mayor densidad de sitios con un total de 69 instalaciones de producción de vidrio. . Las regiones del centro de Italia (Toscana, Marche, Umbria, Lazio) tienen 24 sitios de producción, mientras que los 10 sitios restantes están ubicados en el sur de Italia (Abruzos, Campania, Apulia, Sicilia).

De las 103 EA se desprende 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 fibra de vidrio (5%); vidrio flotado (4%); el procesamiento secundario de vidrio hueco (3%); y otros productos como mosaicos, tejas, vidrios para aislantes 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 lote, seguido por el uso de vidrio de desecho y vidrio laminado, con respectivos porcentajes de 46% y 37%. Se encontró que las varillas de vidrio (8 %), el vidrio hueco para decoración (3 %) y el cristal de vidrio virgen (1 %) tienen valores de utilización bajos.

Tabla 2. Tipo de materia prima.

3.1. Tecnologías de ahorro de energía de EA

Las intervenciones tecnológicas implementadas y propuestas por las organizaciones italianas de fabricación de vidrio se obtuvieron del análisis de EA, como se explica en la Sección 2.1. La Tabla 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 en Italia.

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

Se analizaron los resultados de las 103 EA para determinar el número de intervenciones propuestas y realizadas por fase de 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 acabado son los que presentan mayores valores de intervención. La primera ve más intervenciones implementadas (72) que propuestas (43), y viceversa para la fase de finalización, con 30 intervenciones implementadas y 80 propuestas, respectivamente. Los resultados de las intervenciones que involucran las fases del proceso muestran que, en los últimos 4 años, se ha prestado gran atención a la fusión y la refinación, así como a los servicios auxiliares, mediante la implementación de soluciones energéticamente eficientes. En cambio, en los próximos cuatro años, los grandes cambios se orientarán hacia los servicios auxiliares y la fase de acabado. Pocas soluciones se destacan en la fase anterior del proceso (preparación de fusión) y 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 intensivos en energía, como la fusión, el refinado y el acabado.

Los datos también pueden ser analizados 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 altamente intensivos en energía diseñados para fusión y refinado (47 soluciones) y acabado (9 soluciones). La intervención más común para estas máquinas se refiere a la renovación para garantizar una mayor eficiencia [6,11,12]. De manera similar a 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 enfoque principal es la instalación de hornos regenerativos al final de su vida útil [11,23]. Por otro lado, las intervenciones realizadas para los sistemas de presión se refieren principalmente a los sistemas auxiliares (26 soluciones). Para estos activos, las soluciones más comunes implementadas se refieren a la renovación de maquinaria (motores, bombas, compresores, etc.).

Los 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 están más preocupados por el proceso que involucra sistemas auxiliares (70 soluciones), principalmente para la reducción de pérdidas de aire comprimido en juntas 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 eficiencia premium (clase IE2, IE3 e IE4), y la instalación de inverters en motores ya presentes en el 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 refino, las intervenciones más propuestas se refieren al uso de intercambiadores de calor de placas para el precalentamiento indirecto de vapor o cullet [11], y la sustitución de los sistemas de recuperación disponibles por otros que utilizan metano o fluidos orgánicos como vectores de calor. (intercambiadores tipo ORC). Finalmente, es necesario recalcar que las maquinarias poco involucradas en el análisis de las AE son las maquinarias de antecrisol, moldeado, acabado, enfriadores y 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 incidencias detectadas. 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, se alcanzan valores altos para tubo de vidrio (4 intervenciones), 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 para los sistemas de acristalamiento, que a pesar de ser el segundo tipo de producto más difundido en el territorio, solo registra 17 ocurrencias, lo que parece no estar muy bien considerado. En cuanto a las intervenciones propuestas, las que presentan un mayor número de soluciones son el vidrio hueco y los sistemas de acristalamiento, con 134 y 82 soluciones, respectivamente. De manera similar, al considerar los sitios de producción, las empresas que se ocupan de otros productos son las que planean más intervenciones (14).

3.2. Análisis económico de las EA

Mirando 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 la sección anterior, tanto para las intervenciones implementadas como para las identificadas, el enfoque de este artículo está en las soluciones tecnológicas relacionadas con las fases de producción, los sistemas auxiliares y los sistemas de recuperación de calor.

En las EA analizadas se enumeraron un total de 40 sitios de producción que informaron información cuantitativa sobre las intervenciones implementadas, y los ahorros correspondientes de energía final se muestran en la Tabla 4. La información cuantitativa se identifica en cuatro grupos: 'sistemas de presión', 'central 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 energéticos y las mayores inversiones económicas (tanto totales como medias). En este ámbito se incluyen las intervenciones sobre el horno eléctrico o de fuel, de forma coherente con las soluciones tecnológicas que se muestran en la Tabla 3, y que en gran medida se representan mediante la sustitución del horno existente por uno más moderno y eficiente. Los sistemas de presión son la segunda área, tanto en términos de ahorro como de inversión total, mientras que las centrales térmicas y los sistemas de recuperación de calor son la segunda área en términos de inversión promedio. Los datos cuantitativos promedio que se muestran en la Tabla 4 y la Tabla 5 se calcularon como un promedio de la cantidad de sitios de producción que informaron información cuantitativa.

Tabla 4. Ahorros energéticos producidos por las intervenciones tecnológicas implementadas. Los ahorros anuales totales se calculan como la suma de los ahorros de energía térmica, electricidad y combustible.

Tabla 5. Inversiones requeridas para aplicar intervenciones tecnológicas.

Se calculó un indicador de costo-efectividad para cada área de intervención, estimado como se reporta en la Tabla 6. La información disponible permitió calcularlo para 27 de las 40 intervenciones recolectadas cuantitativamente, reportando información tanto de ahorro energético como de costos. El área de 'sistemas de presión' muestra un valor ventajoso del indicador, lo que confirma que se trata de un tipo de medida con una gran aplicabilidad. 'Motores, inversores y otras instalaciones eléctricas', así como 'líneas y máquinas de producción', 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 identificó un total de 162 sitios de producción que reportaron 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 productivo ni los sistemas auxiliares, como por ejemplo, iluminación, intervenciones gerenciales y producción a partir de fuentes renovables. La Tabla 7 y la Tabla 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 factibilidad. La Tabla 9 reporta los indicadores de costo-efectividad calculados para las intervenciones sugeridas. Se estimaron estudios de viabilidad para lograr ahorros eléctricos en todas las áreas, obteniendo ahorros térmicos significativos en las áreas de 'central térmica y sistemas de recuperación de calor' y 'líneas de producción y máquinas'. El mayor ahorro energético se asoció al área de 'centrales térmicas y sistemas de recuperación de calor'.

Como se observa en las intervenciones implementadas, las de las 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, el reemplazo del horno representa una alta proporción de las intervenciones. La rentabilidad de las 'plantas de energía térmica y los 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 (PBT) significativamente más corto. Las intervenciones en sistemas a presión tienen el mejor valor del indicador de costo-efectividad, mientras que las de líneas de producción muestran el mejor valor para PBT (Cuadro 9).

Tabla 7. Ahorros de energía evaluados para las intervenciones tecnológicas sugeridas. Los ahorros anuales totales se calculan como la suma de los ahorros de energía térmica, electricidad y combustible.

Cuadro 8. Inversiones evaluadas para las intervenciones sugeridas.

Tabla 9.Tiempo de recuperación 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 con intervenciones que tienen un PBT entre 3 y 5 años (2,2 ktep/año).

Finalmente, la Figura 8 muestra que la mitad de los ahorros potenciales (6,8 ktep/año) se pueden lograr 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 destaca el hecho de que las intervenciones relativamente menos costosas están asociadas con un alto potencial de ahorro, y tal tendencia parece aún más significativa cuando se considera que los mecanismos de incentivos existentes no están incluidos 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 tecnologías en las fases del proceso de fusión, refinación y acabado. En lo que respecta a los sistemas auxiliares, la mayoría de las soluciones encontradas por las EA se relacionan con 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 se refieren principalmente a la renovación de maquinaria con sistemas más eficientes.

De hecho, la inversión media requerida para implementar las intervenciones sugeridas en los sistemas de presión es relativamente baja (alrededor de 45 000 EUR). 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. Al observar la participación (consulte la Figura 6) de estas dos áreas en diferentes clases de PBT, la participación de los sistemas de presión disminuye al aumentar la clase de PBT, lo que demuestra 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 de 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 rendimientos inmediatos, mientras que las intervenciones en los motores son interesantes cuando se consideran 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 refinado es la que presenta el mayor número de intervenciones realizadas (72). De hecho, esta fase involucra en gran medida activos de la planta que consumen mucha energía, que deben alcanzar y mantener temperaturas extremadamente altas durante 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, para los hornos, la mayoría de las intervenciones reportadas se refieren a la modernización 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 la segunda área caracterizada por mayores inversiones relativas (ver Tabla 8). La mayoría de las intervenciones en las líneas de producción están 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 de acabado concentra la mayor parte de las intervenciones de interés en los próximos años (80). Una cuarta parte de estas intervenciones están destinadas a sistemas de presión, la mayoría de ellas a la reducción de 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.

Finalmente, es necesario informar que algunas de las tecnologías para la eficiencia energética que se encuentran en la literatura no son realmente tomadas en consideración 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 decreciente. Las tecnologías en etapa inicial pueden considerarse emergentes. En consecuencia, el beneficio real de su aplicación aún no está del todo claro. Por otro lado, las tecnologías de etapa final 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 ciertas tecnologías resulta ser un gran cambio para el proceso productivo al definir cambios destructivos.

La mejora de la eficiencia energética de las empresas es cada vez más relevante tanto por el impacto económico (percibido a corto plazo) como por el impacto ambiental (percibido a medio-largo plazo). En este contexto, varios sectores industriales están involucrados e interesados ​​en mejorar el desempeño energético. Anteriormente, la investigación ha propuesto indicaciones de ahorro de energía para diferentes sectores, como las industrias de fundición [9] y 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 esta razón, se realizó un análisis detallado de las soluciones tecnológicas de eficiencia energética. Se proporcionó una lista actualizada de oportunidades tecnológicas de ahorro de energía, dividiéndolas según las fases del proceso y el activo involucrado. El análisis muestra evidencia de todas las soluciones en la literatura como base del estado del arte. Estas soluciones se complementaron con todas las intervenciones destacadas por las EA de 103 sitios de producción de vidrio distribuidos en toda Italia.

Como se mencionó anteriormente, una EA es un documento sistemático que es necesario para analizar futuras inversiones potenciales en soluciones de ahorro de energía. Los análisis energéticos proporcionan resultados estadísticos de las intervenciones realizadas y propuestas por empresas italianas, dividiéndolas por fase de proceso, maquinaria de proceso y tipo de producto final producido. Además, a partir de los datos económicos de las EA, se identificaron las relaciones monetarias para la aplicación y aplicabilidad de ciertas tecnologías. Los análisis energéticos y económicos no consideraron soluciones para iluminación y calefacción de plantas, procesos posteriores para control de calidad y empaque de productos, y soluciones para instalación de sensores. Por el contrario, se consideraron soluciones para sistemas auxiliares, no siendo desdeñable para la eficiencia energética. Es relevante resaltar que los resultados del análisis estadístico y económico podrían representar una guía para las empresas que deseen 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 implementadas. Entre estos, 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 y el refinado y el acabado son fases de particular interés. En concreto, en la fase de fusión y refino, la mayor parte de las intervenciones realizadas 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 los 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 un interés particular en la producción de vidrio hueco y sistemas de acristalamiento, para los cuales se informa el mayor número de intervenciones propuestas e implementadas. Sin embargo, cuando se ponderan por el número de sitios de producción utilizados, los tipos de productos de tubos de vidrio y otros productos alcanzan valores altos. Por lo tanto, es posible afirmar que, si bien estos tipos de productos no son muy populares en Italia, son aquellos para los que, en promedio, las empresas 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 ahorros logrados. Los ahorros de energía final se pueden calcular, es decir, considerando varias áreas de intervención técnica, técnico-gerencial y gerencial, 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 ahorros de energía final equivalentes al 0,7% del consumo de energía final en el sector del vidrio. El alcance de una EA es describir la estructura de consumo de energía a nivel del sitio, identificar los índices de rendimiento 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 a ahorros de energía final equivalentes al 0,9% del consumo de energía final del sector del vidrio.

El enfoque de este artículo se centró en un grupo específico de intervenciones, relacionadas con áreas tecnológicas relevantes para el proceso de producción, sistemas auxiliares y sistemas de recuperación de calor. Sin embargo, este enfoque puede verse como una limitación del estudio, por lo que el trabajo futuro puede abordar otros tipos de mejoras además de los equipos de producción de vidrio. En todos los ámbitos existen interesantes oportunidades de ahorro energético, aunque diferenciadas 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 en la reducción del PBT, pero también afecte negativamente la voluntad y la 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 practicantes 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. Posibles desarrollos futuros podrían 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 se han implementado realmente y qué otras se proponen de acuerdo con los avances tecnológicos y la normativa internacional. Además, otro posible desarrollo futuro podría ser el análisis de otros sectores productivos de alto consumo energético ubicados en Italia. Finalmente, vale la pena mencionar que este trabajo no prueba cuál es la mejor solución en general, lo cual está fuertemente relacionado con las necesidades/limitaciones de cada empresa. De hecho, las empresas podrían dar diferentes prioridades a distintos aspectos (por ejemplo, económicos, ambientales, etc.). En consecuencia, un posible desarrollo de investigación futuro podría explotar un modelo de toma de decisiones de criterios múltiples (MCDM) para definir la mejor solución a adoptar dado 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 fondos, MS y FM Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Este trabajo es parte de la Investigación del Sistema Eléctrico (PTR 2019–2021), implementado bajo 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 conflicto de intereses.