Il settore cartario italiano ha un ruolo primario nel panorama industriale nazionale e si conferma come un’eccellenza europea. Con 119 imprese operanti sul territorio e circa 19 mila addetti, è secondo in Europa per produzione cartaria, con un tasso di riciclo degli imballaggi in carta dell’85% e un tasso di circolarità e raccolta del 62%.
Il settore ha già affrontato con successo una transizione energetica basata sull’utilizzo di gas e cogenerazione ad alta efficienza: circa l’80% del fabbisogno di energia è soddisfatto con la cogenerazione e dal 2020 le industrie cartarie hanno ridotto del 23% i consumi energetici finali. E’ un settore energivoro e gasivoro secondo la legislazione nazionale – rientrante nella Direttiva Emission Trading già da diversi anni – ed è promotore di percorsi di decarbonizzazione, di investimenti in efficienza energetica e nelle fonti rinnovabili.
Il target della Commissione europea richiede una riduzione delle emissioni del 70% al 2030, raggiungendo la neutralità carbonica entro il 2050. Obiettivi ambiziosi che devono fare i conti con il mantenimento della competitività e dei volumi produttivi delle imprese.
La sfida è importante e oltre alla cogenerazione, in che modo l’industria della carta e della cellulosa può contribuire a raggiungere la carbon neutrality? Quali infrastrutture, tecnologie e soluzioni di efficienza energetica sono disponibili per supportare il settore cartario nel percorso verso la decarbonizzazione? Una singola soluzione evidentemente non risolve il problema in quanto la risposta deve essere trovata in un mix equilibrato di molti piccoli passaggi.
Di questi temi si è discusso durante il Convegno MIAC Energy dal titolo “Efficienza energetica e percorsi di decarbonizzazione per l’industria cartaria”, organizzato in collaborazione con Assocarta durante la seconda giornata di MIAC 2024, la Mostra Internazionale dell’Industria Cartaria di Lucca.
Moderato da Alessandro Bertoglio, Responsabile energia e trasporti di Assocarta e con un intervento introduttivo sulla strategia verso la decarbonizzazione del settore cartario a cura di AFRY Management Consulting, al Convegno si è parlato di esperienze in cartiera e di tecnologie per l’ottimizzazione e il risparmio energetico con gli interventi di Valmet, Renovit, Andritz, Solar Tubines e Glayx.
AFRY supporta Assocarta nella strategia verso la decarbonizzazione
Arne Kant, Senior Principal AFRY Management Consulting
AFRY è nata nel 2019 dalla fusione di due delle più grandi aziende di consulenza nordiche, la svedese ÅF e la finlandese Pöyry. E’ tra i leader in Europa e nel mondo nei servizi di progettazione, ingegneria e consulenza, principalmente nei settori delle infrastrutture, dell’industria e dell’energia, con oltre 50 sedi a livello globale e attività in più di 100 Paesi. In Italia il gruppo è articolato in AFRY Italy, che ha sede a Genova e AFRY Management Consulting a Milano.
Assocarta ha scelto AFRY per definire una strategia di decarbonizzazione dell’industria cartaria italiana in conformità con il quadro normativo dell’Unione Europea, le specificità italiane e i progressi tecnologici. L’azienda ha valutato e delineato un piano di azione per la decarbonizzazione del settore, identificando le migliori tecnologie disponibili, le sfide normative e infrastrutturali e gli elementi di vantaggio competitivo.
Inoltre, ha condotto un’analisi della filiera cartaria in Italia prevedendo potenziali scenari al 2030 e le politiche da adottare. AFRY fornisce anche supporto personalizzato alle singole aziende italiane operanti nel settore della cellulosa e della carta, adattando strategie di decarbonizzazione specifiche per le loro attività e progetti.
Avvalendosi di un team multidisciplinare che mette insieme esperti e competenze provenienti da Italia, Spagna, Finlandia, Svezia e Germania, applica le conoscenze più avanzate per contribuire al progresso dell’industria italiana della carta verso un futuro più sostenibile.
Il Green Deal ha fissato una riduzione importante delle emissioni di CO2 al 2030, con l’obiettivo di raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050: una sfida che comporta un grande impegno da parte delle imprese e riguarda tutti gli aspetti, dai combustibili all’efficienza energetica, all’utilizzo di energie rinnovabili.
La strategia in Italia si muove nella direzione dell’elettrificazione, con incentivi sull’uso del biometano. Su questo fronte occorre ridurre le complessità normative, soprattutto per gli inceneritori di biomassa. Nel prossimo decennio, i costi per tonnellata di carta dovuti al sistema ETS aumenteranno in modo significativo, spinti dal prezzo della CO2 e dall’assenza di quote gratuite.
La decarbonizzazione del settore cartario passa dall’efficientamento e prosegue con l’elettrificazione e la decarbonizzazione dei combustibili; ad oggi diverse iniziative sono già in atto tra gli operatori del settore: il 15% delle cartiere utilizza biogas proveniente dalle acque reflue e sul fronte dell’efficientamento dei processi, tutte le cartiere hanno già installato o prevedono di installare sistemi di ottimizzazione della compressione.
Ma le scelte future devono considerare sfide che possono ad oggi limitare l’adozione di diverse soluzioni. L’elettrificazione è attualmente ostacolata dagli effetti negativi sulla competitività industriale e dai limiti del sistema elettrico, mentre la decarbonizzazione dei combustibili affronta ad oggi l‘assenza di un quadro normativo abilitante e la scarsità delle risorse per la transizione energetica del settore (per esempio biometano).
La competitività del settore rimane comunque legata a quella dei prezzi di gas ed elettricità: il primo abbastanza allineato, il secondo “a premio” rispetto alle medie EU. Servono soluzioni tecnologiche capaci di ridurre l’intensità emissiva del processo industriale a un giusto costo, valutando anche il loro sviluppo tecnico-economico nel medio-lungo termine.
Una cartiera totalmente elettrificata è utopia?
Claudio Ardrizzi, Energy Management Expert – Tissue Production Processes, Valmet
L’energia necessaria per l’asciugamento rappresenta circa il 70% del consumo energetico totale nella produzione di carta tissue e proviene principalmente da combustibili fossili come gas naturale, carbone o GPL. Di recente sono stati sviluppati diversi vettori energetici per affrontare le sfide legate alla decarbonizzazione nelle industrie ad altà intensità energetica.
Valmet offre un’ampia gamma di soluzioni che utilizzano queste innovazioni, dai bruciatori per Air System a idrogeno all’ultilizzo di biomassa per la produzione di vapore. Tuttavia, quando tecnicamente implementabile, l’elettrificazione diretta offre significativi vantaggi in termini di efficienza e competitività, sia in termini di capital expenditure che in quelli di spesa operativa. Questo è valido in modo particolare quando i riscaldatori elettrici sostituiscono i bruciatori e le pompe di calore ad alta temperatura producono vapore per il cilindro monolucido.
Pur mantenendo intatta la filosofia di asciugamento (velocità e temperatura al soffio), i riscaldatori elettrici evitano di produrre emissioni di CO2 e al contempo, non utilizzando aria comburente, non generano acqua derivante dal processo di combustione.
I riscaldatori possono essere integrati sia in nuove installazioni che in ricostruzioni, poiché in Valmet sono state considerate diverse opzioni di posizionamento sul sistema aerotermico per migliorare la flessibilità e massimizzare i benefici, sia come fonte esclusiva di produzione energetica che in combinazione con combustibili fossili o idrogeno.
Se il 50% dell’energia asciugante in una macchina tissue è ottenuta dal vapore, che è prodotto da una caldaia con un’efficienza tra il 97 e l’80%, l’installazione di pompe di calore ad alta temperatura può fare una grande differenza grazie alla maggiore efficienza. Le pompe di calore ad alta temperatura utilizzano il calore proveniente da una fonte a bassa temperatura e, attraverso un compressore elettrico, innalzano questa temperatura.
Il calore ottenuto come resa è maggiore del consumo dell’elettricità utilizzata, con un’efficienza applicata ad una macchina tissue tra il 200 e il 300%. Grazie agli sviluppi tecnologici degli ultimi 20 anni, è possibile ottenere vapore con pressione fino a 20 bar. Ad oggi le tecnologie per l’elettrificazione della sezione asciugante sono già implementabili e le soluzioni per la loro integrazione sono già ampiamente validate.
Integrando una pompa di calore ad alta temperatura che recupera calore dalla fumana dell’Air System e produce vapore per il monolucido, i due sistemi saranno interconnessi e l’efficienza in termini di mantenimento del livello energetico e di riduzione di consumo idrico verrà massimizzata. Inoltre non verrà prodotta alcuna emissione diretta nel processo di generazione del vapore.
L’adozione dei riscaldatori elettrici sull’Air System risulterà in un risparmio di energia fino al 10% se paragonato ai bruciatori a combustibili fossili. Inoltre, ulteriori emissioni di CO2 possono essere azzerate utilizzando elettricità da fonti rinnovabili prodotta localmente o dalla rete.
Esternalizzazione CHP: fattibilità tecnica e vantaggi economici alla luce del nuovo ETS
Chiara Spinelli, Institutional Affairs & Incentives Manager Renovit
Giuseppe Bonforte, Technical Sales Expert Renovit
Renovit offre soluzioni di efficienza energetica progettate per aiutare le imprese a ridurre consumi ed emissioni, unendo innovazione tecnologica e attenzione per l’ambiente. Nata dall’iniziativa di Snam e CDP Equity per contribuire allo sviluppo sostenibile e alla transizione energetica del Paese, Renovit valorizza progetti imprenditoriali ai quali abbina visione di mercato e capacità tecniche e finanziarie.
Opera sul mercato attraverso le società operative Tep Energy Solution, Renovit Public Solutions e Evolve. La collaborazione tra Energy Service Company (ESCo) e industrie rappresenta uno strumento fondamentale per favorire investimenti mirati in tecnologie efficienti e una gestione ottimale dell’energia, con un potenziale significativo per ridurre le emissioni di CO2.
In particolare, lo scorporo delle attività energetiche delle centrali di cogenerazione con potenza termica inferiore ai 20 MW dalle attività produttive rappresenta uno dei modelli principali per migliorare l’efficienza energetica e ridurre le emissioni in ambito industriale, garantendo allo stesso tempo dei risultati economici importanti.
Tuttavia, la recente introduzione del meccanismo dell’ETS 2 sembra minare l’economicità dello schema di esternalizzazione. Per quanto riguarda il timing, i soggetti regolamentati dovranno possedere un’autorizzazione a partire dal 2025 mentre il sistema ETS 2 vero e proprio entrerà in vigore dal 2027, con il 2028 come anno di prima restituzione delle quote.
Per il prezzo del nuovo sistema bisognerà attendere che il mercato si formi per capire quale sarà la quotazione di “atterraggio” anche se all’interno della direttiva è previsto il rilascio di quote aggiuntive sul mercato se il prezzo medio delle quote supera, per due mesi consecutivi, la soglia massima di 45 euro per tonnellata (ai prezzi del 2020).
Renovit ha predisposto un business case per analizzare l’impatto del nuovo meccanismo sulle esternalizzazioni delle centrali di cogenerazione. E’ stata ipotizzata una turbogas con potenza elettrica lorda di 4,5 MW, gas naturale in ingresso alla turbina di 15,5 MW, efficienza elettrica lorda del 28% e una pressione vapore al processo produttivo di 17 bar.
La ESCo realizza l’intervento di rifacimento per conto del ciente e viene remunerata in base all’energia consumata dal cliente e tramite la condivisione dei TEE generati dall’intervento. Le condizioni di base sono: il processo produttivo e la centrale di cogenerazione devono essere “tecnicamente indipendenti”, la ESCo e il cliente hanno due distinte forniture per il gas naturale, una dedicata al CHP e una al processo/back-up.
La ESCo diventa titolare delle autorizzazioni necessarie all’esercizio della centrale di cogenerazione; il cliente beneficia del ridotto costo per l’acquisto delle EUA e affida la gestione della centrale di cogenerazione a un soggetto specializzato mentre il costo del meccanismo ETS 2 viene pagato dal cliente all’interno del canone relativo alla fornitura dei vettori energetici.
Nello scenario ipotizzato si prevedono i seguenti parametri principali per l’analisi della situazione ex-post: durata del contratto servizio energia di 10 anni, valore di investimento per rifacimento CHP di 4,5 milioni di euro, prezzo medio del gas naturale (solo materia prima) di 0,36 €/Sm3 , prezzo medio energia elettrica da rete (solo materia prima) di 95 €/MWh, costo medio 90 €/EUA, costo medio ETS 2 50 €/EUA, TEE ottenibili attraverso il rifacimento impianti 2.270 TEE/anno, valore medio TEE di 250 €/TEE.
Nel caso di studio analizzato, a fronte di un costo ex-ante con una gestione in-house della centrale di circa 11,3 milioni, nello scenario ETS 1 il saving relizzabile dalla cartiera è pari a circa 1,4 milioni annui. Dall’attivazione del meccanismo ETS 2 vediamo un costo aggiuntivo che si aggira intorno a 750 mila euro, che va a ridurre il saving ma lascia comunque un quadro positivo dal punto di vista dei costi finali per il cliente. Si determina quindi ancora una redditività realizzabile dall’esternalizzazione CHP molto importante.
Rivoluzionare l’efficienza: la ristrutturazione del sistema di cleaning e screening di testa macchina offre grandi vantaggi ambientali ed economici
Erika Sboarina, Sales Manager Andritz
In premessa occorre sottolineare che l’industria cartaria deve affrontare sfide quali il calo della domanda in diversi settori di mercato, la fluttuazione dei costi energetici e le severe normative ambientali in vigore sia livello nazionale che comunitario.
Una cartiera in Finlandia, in collaborazione con ANDRITZ, ha intrapreso un’importante ristrutturazione del sistema di cleaning e screening di testa macchina in uno dei suoi stabilimenti in cui i risparmi energetici e di fibra – che sono gli obiettivi classici di un progetto di questo tipo – sono stati “tradotti” in una riduzione delle emissioni di CO2.
Sulla base del successo di un progetto precedente, il cliente ha scelto di ristrutturare il sistema di approccio della PM2, ottenendo notevoli vantaggi finanziari e ambientali. ANDRITZ ha condotto un processo di ristrutturazione completo, concentrandosi sugli aggiornamenti delle apparecchiature, come la sostituzione di pulitori e pompe obsoleti con alternative moderne ed efficienti dal punto di vista energetico.
Utilizzando una modellazione 3D avanzata, è stato riprogettato il sistema di cleaning e screening di testa macchina, ottimizzando il consumo energetico e riducendo al minimo la perdita di fibre e l’utilizzo di acqua. La macchina continua del cliente produce carta da libri in diverse grammature, con l’impiego di pasta legno meccanica prodotta nello stesso sito e con fibra lunga acquistata sul mercato.
I parametri di progetto sono stati la carta di riferimento (ovvero quella prodotta in maggior quantità) e la forchetta del flusso minimo e massimo trattati. Il minimo è in corrispondenza dei 54 grammi/ mq e il massimo di produzione in corrispondenza dei 60 grammi/ mq, per assicurare che l’impianto sia funzionale con tutte le possibili portate da trattare. Nel progetto è stato riutilizzato quanto più possibile dell’esistente, recuperando i corpi pompa e gli stadi dei cleaners. E’ stata introdotta la versione più moderna dei cleaners e il controllo di diluizione.
La chiave di volta dell’intero progetto è stata infine abbandonare lo schema tradizionale in cascata – in cui l’accettato di ogni stadio successivo al primo viene ricircolato al precedente – e si è mandato avanti anche l’accettato del secondo stadio. Questo ha consentito un notevole risparmio energetico. L’introduzione della diluizione controllata sugli scarti ha invece permesso di abbattere lo scarto di fibra buona.
I risultati della ristrutturazione sono eccezionali, con una riduzione del 54% del consumo energetico, equivalente a un risparmio annuale di 4.536 MW. Inoltre, la perdita di fibre è diminuita in modo significativo, portando a un sostanziale risparmio finanziario per il cliente. I calcoli condivisi con il cliente indicano inoltre un ritorno dell’investimento di 8 mesi, al costo dell’energia ai tempi del progetto.
In particolare, la riduzione del consumo energetico ha comportato una drastica diminuzione delle emissioni di CO2, come confermato da una tesi magistrale dell’Università di Aalto. Lo studio stima una riduzione annuale delle emissioni di CO2 di 2.891 tonnellate, evidenziando i benefici ambientali del progetto. Non si tratta solo di una storia di guadagni finanziari, ma di una testimonianza di gestione ambientale.
La ristrutturazione della PM2 funge da faro – illuminando il percorso verso un futuro sostenibile per l’industria cartaria – e sottolinea il profondo impatto che gli aggiornamenti innovativi possono avere, non solo sui profitti, ma anche sulla salute del pianeta.
Digital Twins: il contributo dell’AI per un futuro energetico più efficiente, flessibile e sostenibile
Paolo Masiero, Marketing and Product Innovation Manager Solar Turbines
Forte di una lunga e vasta esperienza con oltre 16 mila macchine operative nell’oil & gas e in diverse industrie, molte anche nel cartario, Solar Turbines ha sviluppato ulteriormente la propria piattaforma digitale mediante AI Digital Twin, collettando nel corso degli anni tutti i dati che sono stati gestiti da un sistema di intelligenza artificale in grado di capire quali fossero le cause e gli effetti di determinati comportamenti/condizioni, generando un’importante riduzione dei costi operativi e la possibile partecipazione attiva alla SMART Grid.
Oggi abbiamo nel mondo più di 3500 macchine connesse, con 220 milioni di ore di esperienza e 26 milioni di check analitici per ogni giorno operativo della macchina. Mettendo insieme tutti questi dati abbiamo realizzato un sistema Digital Twin – il gemello virtuale della turbina specifica. In questo modo siamo in grado di monitorare in tempo reale lo stato di salute della macchina e di predire la Remaining Useful Life – RUL (vita utile residua effettiva) di componenti e sottosistemi chiave in base alle condizioni operative della turbina, considerando un intervallo di manutenzione tipico basato sulle 30 mila ore. In sintesi il Digital Twin crea un gemello virtuale dell’asset fisico operante presso il sito del cliente, utilizzandone i dati reali di funzionamento e simulandone il comportamento.
Il sistema combina Data Analytics (dati statistici della flotta), Physics Based Models (modeli fisici e termodinamici) e Machine Data (dati reali dell’asset) al fine di predirre aspetti chiave dell’asset come la ‘’durability”. I Digital Twins sono repliche virtuali di macchinari o sistemi reali e rappresentano una vera e propria rivoluzione per l’industria cartaria e per la gestione della SMART Grid digitale.
I modelli Digital Twins sviluppati da Solar Turbines specificamente per le applicazioni cogenerative dei propri clienti, permettono non solo un’affidabilità senza precedenti ma anche nuove opportunità per il supporto dei servizi ancillari di rete ed un salto di qualità in termini di prestazioni, permettendo la gestione di diverse tipologie di combustibile simultaneamente.
In questo contesto la turbogas della CHP si trasforma da semplice generatore di energia a vero e proprio elemento attivo della rete elettrica intelligente, la SMART Grid, mantenendo costantemente monitorato il proprio “stato di salute” e suggerendo le migliori opportunità operative in funzione dei differenti assetti produttivi. Di fatto un ulteriore passo avanti verso un futuro industriale più efficiente, sostenibile e resiliente.
Piattaforma Pshave®: l’ottimizzazione degli asset energetici in real-time
Francesco Del Medico, Development Manager Glayx
Glayx è una ESCo con sede in Toscana che da anni si occupa di efficienza energetica in ambito industriale, Negli ultimi 4/5 anni abbiamo realizzato una piattaforma digitale per la gestione real time di tutti gli assett energetici, digitalizzando sia la nostra attività sia quella delle aziende che ci hanno dato fiducia.
L’idea di puntare sul digitale parte dal fatto che – sorprendentemente – solo il 3% delle aziende italiane e poco di più a livello europeo usano i dati real-time push & pull per aumentare gli “economics”.
Abbiamo così sviluppato Pshave®, una piattaforma di Energy Intelligence che offre una gestione attiva e in tempo reale degli asset energetici di stabilimento, migliorando la redditività, riducendo i consumi energetici e le emissioni di CO2.
La piattaforma fornisce moduli specifici per ogni aspetto significativo del sistema energetico: si tratta del primo sistema di energy management con servizi BSP integrati, attivo e in tempo reale. Il sistema è in grado di ottimizzare in tempo reale sistemi complessi con generatori termoelettrici, generatori di vapore, pompe di calore, BESS, accumuli termici, etc. inseguendo un target puramente economico o economico-ambientale orientato alla riduzione delle emissioni complessive.
Effettua il monitoraggio completo dell’energia primaria in ingresso al sistema (industriale, terziario) in termini di quantità e costi specifici e storicizzazione dei consumi. Il sistema consente una gestione automatica della flessibilità (attivazione e gestione automatica degli impianti singoli o aggregati e qualificati come unità virtuali sui servizi di rete, monitoraggio e gestione della modulazione straordinaria e mercato capacità) e il trading e valorizzazione energia (valorizzazione delle eccedenze direttamente sui mercati infragiornalieri, negoziazione continua e gestione dello sbilanciamento).
La piattaforma può essere applicata a sistemi multigenerativi, con scelta della modalità operativa in funzione dei vincoli e delle condizioni al contorno: motori di cogenerazione, turbine a gas e a vapore, caldaie, pompe di calore, storage termici e batterie.
Grazie alla creazione del “gemello digitale” e all’uso di modelli di machine learning è in grado di scoprire aree di inefficienza nei processi non osservabili se non mediante una analisi accurata dei dati, non possibile in ambito produttivo. Pshave® è installato con successo nel settore cartario e si possono condividere casi reali di applicazione dello strumento all’efficientamento di generatori di vapore a recupero, combinati con turbogas e/o ciclo combinato a vapore.
