Settore alimentare, azioni di efficienza energetica

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Celle frigorifere in una industria alimentare. Si possono ridurre i costi energetici del 50% o più, semplicemente assicurandosi che l’impianto di refrigerazione sia ben gestito e mantenuto.

L’industria alimentare deve essere trainante nell’impegno sulla efficienza energetica, grazie ad azioni di efficientamento energetico nei principali processi energivori. Il ruolo della Information Technology e dei sistemi ciberfisici.

Il settore alimentare dà origine ad una quota rilevante di gas serra. Stime effettuate da importanti organismi come IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) parlano del 25% sul totale delle emissioni, ma altre stime che considerano anche la produzione di energia nei processi industriali, il trasporto, il consumo a domicilio fanno salire la quota al 35% dei gas serra prodotti.

L’intera catena del cibo, fino al consumatore, determina quindi emissioni indotte dai consumi energetici, in larghissima parte derivanti dall’utilizzo di combustibili fossili, oltre alle emissioni di gas climalteranti derivanti dalla coltivazione dei suoli e dal comparto zootecnico. Tali emissioni sono destinate ad aumentare sia a seguito del progressivo incremento della popolazione mondiale che delle sue esigenze alimentari.

Agire sulla efficienza energetica, attraverso azioni mirate e capillari, diviene realisticamente lo strumento più efficace e immediato, proprio perché agisce principalmente sull’utilizzo dell’energia e non necessariamente sulla sua produzione. Se infatti ci concentriamo sui consumi energetici che dipendono dalla natura stessa dei processi industriali alimentari, vediamo come, ad esempio, produrre patatine fritte richiede 13.68 MJ in termini di combustibile per ogni chilogrammo di prodotto e 1.48 MJ/kg di elettricità; 9 MJ/kg di elettricità per biscotti e merendine.

In termini generali, possiamo dire che i consumi energetici finali derivano soprattutto da produzione di calore e freddo, motori, climatizzazione e trattamento aria delle zone di lavorazione degli alimenti. In questa sede cercheremo di fornire un breve panorama delle differenti tecnologie utilizzate nell’industria alimentare, presentando alcune opzioni per migliorare l’efficienza energetica nei settori della energia termica ed elettrica, vedremo inoltre le nuove tendenze e le opportunità collegate ai programmi Industria 4.0.

La strategia di “industria 4.0” implica l’uso nell’industria alimentare di sistemi innovativi nel campo dell’elettronica e della Information Technology, della comunicazione e dei sistemi computerizzati.

I principali processi energivori nell’industria alimentare

Seppure non esclusive dell’industria alimentare, alcune tecnologie sono intensamente adottate dall’industria della preparazione dei cibi. A partire dalla essiccazione, processo tipicamente utilizzato nel settore cerealicolo a seguito della raccolta e prima di stoccaggio e trasporto; consiste nella riduzione del contenuto di umidità della granella. Consumi tipici si aggirano sui 0.5-0.75 MJ per chilogrammo di prodotto e, spesso, rappresentano una delle fasi più energivore della filiera. Passiamo allo stoccaggio, ovvero il conservare gli alimenti alle corrette condizioni di temperatura e umidità garantendo il mantenimento nel tempo della loro qualità alimentare; locali frigo e congelatori sono i tipici impianti collegati a tale fase, con consumi che si aggirano sui 1-3 MJ/kg di prodotto per il mercato finale.

Il trattamento di cibi e bevande poi utilizza dai 50 ai 100 MJ/kg di energia, in questa fase si trasformano le materie prime in prodotti alimentari.Passando alla cottura, i consumi tipici si aggirano sui 5-7 MJ/kg di prodotto. L’evaporazione nei processi di bollitura – anche sotto vuoto – permette di ridurre il contenuto d’acqua di diversi prodotti con un consumo tra 2.5-2.7 MJ/kg, mentre la deidratazione, che anche in questo caso riduce il contenuto di umidità degli alimenti, è finalizzata soprattutto ad allungarne la data di scadenza a scaffale. Da ultima la filtrazione, che mira a separare i solidi in sospensione in una matrice liquida con il passaggio attraverso un setto poroso; i consumi elettrici sono funzione del sistema di pompaggio e della perdita di carico sul setto filtrante.

Azioni di efficientamento energetico

Vediamo ora come a seguito di una analisi energetica eseguita secondo i migliori standard, sia possibile passare alla adozione di tecnologie che in modo misurabile conseguano significativi risultati di efficienza. La adozione di nuovi cicli termodinamici, che consentano il recupero del calore di scarto utilizzando fluidi termodinamici associati, contemplano il caso tipico dei Cicli ORC (Organic Rankine Cycles).

L’impiego di pompe di calore (PdC) utilizzabili direttamente in alcuni processi si può associare in cascata ai sistemi tradizionali di produzione del calore per elevarne l’efficienza. Le PdC nella produzione del latte in polvere possono, ad esempio, recuperare fino al 40% del calore di scarto, riducendone i costi energetici fino al 20%. Usi estensivi di tale tecnologia nel settore lattiero-caseario e della carne mostrano riduzioni (dati della Germania) delle emissioni serra fino al 52%. Nel campo dei nuovi cicli di raffreddamento si possono segnalare:

  • Cicli assorbimento/disassorbimento: adattano ed ottimizzano i diversi fluidi utilizzati al livello energetico disponibile del calore di scarto;
  • Sistemi ad eiettore: permettono, in alcuni casi, di ridurre anche notevolmente i consumi energetici rispetto ai sistemi tradizionali (fino al 46,1% rispetto ai sistemi di liofilizzazione tradizionali);
  • Tubi di calore: operano come scambiatori di calore statici sfruttando il calore latente e così permettendo lo scambio di calore in assenza di salti termici, con rendimenti anche superiori agli scambiatori tradizionali. È tuttavia richiesta una attenta scelta per ottimizzare i fluidi utilizzati.
  • Ottimizzazione dei fluidi refrigeranti: un confronto tra impianti frigoriferi a freon e ad ammoniaca su celle frigo alimentari ha evidenziato che, a parità di potenza, l’impianto a freon mostra un costo energetico di circa 2,5 volte quello ad ammoniaca, la adozione di quest’ultimo evita inoltre la necessità di un fluido di refrigerazione intermedio per la refrigerazione celle;
  • Sistemi ibridi: se, in termini generali, i processi industriali dell’industria alimentare sono particolarmente rigidi, l’utilizzo di differenti fonti/vettori energetici – tra cui fonti rinnovabili – può migliorare l’efficienza complessiva del processo, fermo restando la necessità di una attenta analisi di disponibilità, vincoli e prezzi di mercato.
I sistemi ciberfisici (CPS) sono sistemi fisici strettamente connessi con i sistemi informatici e che possono interagire e collaborare con altri sistemi CPS.

Processi alimentari non termici

Sebbene diversi processi dell’industria alimentare come la pastorizzazione, atta ad eliminare germi patogeni, siano nati utilizzando energia termica, nuove tecniche sono in grado di ottenere i medesimi risultati con un minore dispendio energetico. Ne è un esempio il processo che utilizza irraggiamenti ad alta energia quali ultravioletti, raggi X e raggi gamma in grado di danneggiare il DNA degli organismi patogeni. Vantaggio di tale tecnica è il lavorare “a freddo” e pertanto con costi energetici ridotti rispetto alle tecniche tradizionali.

L’utilizzo di campi elettrici pulsanti è un trattamento in grado di pastorizzare bevande minimizzando le perdite nutrizionali senza incrementare la temperatura degli alimenti trattati. I separatori a membrana sono componenti di processi mirati a modificare la concentrazione di alimenti liquidi, spesso realizzata tramite evaporazione della frazione acquosa con elevato dispendio energetico; possono essere sostituiti da setti di filtrazione a membrana, con risparmi energetici fino al 50% rispetto ai processi convenzionali.

La tecnologia è ampiamente utilizzata nella lavorazione dei succhi, in quanto opera a basse temperature conservando nutrienti e qualità della frutta, incrementando nel contempo la resa di produzione. Impianti di questo genere permettono inoltre l’estrazione di nutrienti da alimenti o sottoprodotti, impiegabili nel ciclo alimentare, altrimenti destinati allo scarto.

Altro tema è quello dei sistemi di riscaldamento innovativi, che permettono di ridurre sia i costi che l’alterazione dei cibi trattati. Il riscaldamento ad infrarosso, radiofrequenze o microonde, tecnologie comunemente utilizzate per sterilizzare gli alimenti, vedono gli infrarossi focalizzati sul trattamento superficiale grazie all’elevato coefficiente di trasmissione del calore, mentre negli impianti a microonde i tempi devono tener conto della perdita di umidità indotta.

Le radiofrequenze permettono una penetrazione maggiore rispetto alle microonde. Da ultimo il riscaldamento resistivo, applicabile in funzione della conduttività del materiale, che dovrebbe posizionarsi tra 0.01 e 10 S/m, permette di assicurare un riscaldamento uniforme, prevenendo così danni da sovratemperature localizzate e perdite nutrizionali nei cibi trattati.

I processi industriali dell’industria alimentare sono particolarmente rigidi, l’utilizzo di differenti fonti/vettori energetici – tra cui fonti rinnovabili – può migliorare l’efficienza complessiva del processo.

Information Technology e Comunicazione

La strategia di “industria 4.0” implica l’uso nell’industria alimentare di sistemi innovativi nel campo dell’elettronica e della Information Technology, della comunicazione e dei sistemi computerizzati, secondo le seguenti tre linee di intervento, la prima è la “Smart production”, ovvero nuove tecnologie produttive che creano collaborazione tra tutti gli elementi presenti nella produzione, ovvero collaborazione tra operatore, macchine e strumenti; la tecnologia “Smart service”, ovvero le infrastrutture informatiche e tecniche che permettono di integrare le aziende (fornitore – cliente) tra loro e con le strutture/infrastrutture/servizi esterni e la “Smart energy” che attua attraverso processi industriali energicamente più performanti e sostenibili.

La chiave di volta dell’Industria 4.0 sono i cosiddetti sistemi ciberfisici (cyber-physical system, CPS) ovvero sistemi fisici strettamente connessi con i sistemi informatici e che possono interagire e collaborare con altri sistemi CPS. Considerando, ad esempio, la gestione della logistica, una filiera alimentare 4.0 diviene in grado di assicurare una movimentazione sicura, protetta ed affidabile delle materie prime alimentari, minimizzandone gli oneri energetici (ottimizzando, per esempio, le temperature e le modalità di gestione degli impianti collegati in fase di trasporto e stoccaggio). Analogamente, la stessa fase produttiva potrebbe venire gestita integrando in maniera ottimale esigenze e caratteristiche dei diversi soggetti operanti all’interno della filiera.

Conclusioni

Non deve stupire che sia proprio l’industria alimentare a dover essere trainante nell’impegno sulla efficienza energetica. L’entità dei gas serra emessi dall’intera filiera alimentare è troppo elevata per non porre la dovuta attenzione alla sua riduzione.

Ma si può agire concretamente e subito sulla parte di filiera che coinvolge le aziende di produzione degli alimenti, che possono agire in diversi modi sui processi produttivi, fruendo di diverse tecnologie, di cui alcune piuttosto consolidate, specialmente nel caso del soddisfacimento delle utenze termiche, ed alcune decisamente innovative come nei processi di sterilizzazione e pastorizzazione.

L’’utilizzo delle tecnologie in ambito della Information Technology, in continuo progresso, sono in grado di far compiere un vero salto di qualità nel campo della efficienza dei processi in riferimento alla energia ed alla resa in generale.