Un ricercatore dell'EPFL ha sviluppato un modello matematico per ottimizzare il trasferimento di calore nelle fabbriche e ridurre drasticamente il consumo di acqua ed energia. Il modello potrebbe, in teoria, ridurre il consumo di acqua del 60 percento in una cartiera canadese e consentire all'impianto di produrre fino a sei volte più energia.

La produzione di beni di consumo richiede grandi quantità di acqua, calore ed elettricità. Le aziende che producono questi articoli producono grandi quantità di CO ₂ emissioni e hanno un enorme impatto sull'ambiente. Alla conferenza sul clima COP21 di Parigi, i leader mondiali hanno evidenziato il ruolo di primo piano che i produttori potrebbero svolgere nella lotta ai cambiamenti climatici riducendo le emissioni di gas serra.

Maziar Kermani, ricercatore presso il gruppo IPESE (Industrial Process and Energy Systems Engineering) dell'EPFL, diretto dal professor François Maréchal, ha messo a punto un modello matematico pionieristico che potrebbe ridurre la quantità di acqua ed energia utilizzata nei processi industriali. Ha sviluppato un modo per riciclare il calore e l'energia persi e per impiegare tecnologie di bioraffineria, combinando turbine e fluidi organici, per aumentare la produzione di energia.

Kermani ha applicato il suo modello a una cartiera canadese. Ha scoperto che, in teoria, potrebbe ridurre la quantità di acqua utilizzata dall'azienda da 820 kg a 230-300 kg al secondo (un calo di circa il 60 percento). Potrebbe anche consentire allo stabilimento di produrre più di sei volte più elettricità (da 3 MW a circa 20 MW). I suoi risultati sono stati pubblicati su Energies.

Riciclo continuo di acqua e calore

Kermani ha testato la sua teoria sulla pasta kraft, di gran lunga il metodo di fabbricazione della carta più popolare nel settore.

I trucioli di legno sono bagnati, cotto (in digestori), lavato, essiccato e sbiancato per fare la polpa. Tutto ciò produce grandi quantità di vapore che, oltre ad essere utilizzato nel processo stesso, genera elettricità più che sufficiente per alimentare l'impianto. L'energia in eccesso può quindi essere venduta.

Secondo Kermani, però, il sistema attuale è tutt'altro che ottimale. "Enormi quantità di acqua ed energia vanno sprecate perché le fasi del processo non sono collegate, " spiega. "Per esempio, il mulino utilizza acqua fredda per lavare e raffreddare la polpa. Ma quell'acqua, che contiene calore prezioso, viene quindi scartato. Allo stesso modo, il vapore ad alta pressione viene prodotto bruciando il liquore nero a temperature estremamente elevate - circa 1, 200°C. Il vapore alimenta le turbine per generare elettricità e fornisce una fonte di calore per altri processi, ma è troppo energivoro per essere prodotto".

Fluidi organici

Nel suo giornale, Kermani delinea diversi modi in cui l'acqua riscaldata potrebbe essere riutilizzata. Raccomanda inoltre di introdurre cicli Rankine organici, che fanno affidamento su una proprietà speciale dei fluidi organici:il fatto di trasformarsi in vapore ad alta pressione a temperature relativamente basse (250°C). "L'utilizzo di fluidi organici consentirebbe al mulino di produrre il vapore di cui ha bisogno utilizzando acqua calda recuperata a temperature medio-basse, " lui spiega.

L'azienda canadese ha espresso interesse per il modello di Kermani. "Rispetto a metodi strettamente matematici e limitati, l'approccio proposto fornisce informazioni approfondite per la progettazione preliminare di reti di scambiatori di calore industriali coinvolti in pasta di legno e carta, ", afferma l'esperto canadese di processi industriali Marzouk Benali, chi ha il compito di ottimizzare i processi dell'azienda. "La sua flessibilità offre l'opportunità di valutare gli impatti diretti dell'integrazione di tecnologie di bioraffineria emergenti all'interno di grandi strutture esistenti".

Il modello di Kermani ha potenziali applicazioni anche in altri settori e industrie.