Come si può valutare l'efficienza energetica, la sostenibilità e la longevità nella scelta di un impianto di miscelazione?
Nella scelta di un impianto di miscelazione, efficienza energetica, sostenibilità e longevità non dovrebbero essere valutate separatamente, ma come criteri decisionali interconnessi. Un impianto efficiente dal punto di vista energetico non è automaticamente sostenibile se causa elevate perdite di prodotto, richiede molto mezzo di pulizia o può essere gestito solo con un elevato onere di manutenzione. Al contrario, un impianto robusto e longevo può essere vantaggioso dal punto di vista economico ed ecologico, nonostante costi di acquisto più elevati, se lavora in modo affidabile per molti anni, è ben modernizzabile e comporta bassi costi di fermo e di ricambi. La base della valutazione dovrebbe pertanto essere costituita da dati tecnici di prestazione, ipotesi operative realistiche, indicatori ambientali e costi del ciclo di vita.
L'efficienza energetica dovrebbe essere riferita al compito di miscelazione effettivamente richiesto. Un indicatore centrale è il consumo energetico specifico, ad esempio in kWh per tonnellata di prodotto vendibile o per lotto, con qualità di miscelazione dimostrata. Determinante non è unicamente la potenza installata del miscelatore. Anche tempo di miscelazione, grado di riempimento, geometria dell'utensile, velocità di rotazione, comportamento del prodotto, ricetta e omogeneità richiesta influenzano il fabbisogno energetico. Un'elevata potenza di azionamento installata non è automaticamente inefficiente se è necessaria per coppie di avviamento, viscosità elevate, picchi di carico o fasi di processo particolari. Al contrario, un'unità di azionamento sovradimensionata può causare inutili perdite di investimento e a carico parziale. La progettazione dell'azionamento dovrebbe quindi rappresentare il caso di carico reale e prevedere riserve sufficienti per le variazioni dovute al prodotto o al processo.
Motori ad alta efficienza, riduttori a basse perdite e azionamenti a frequenza variabile possono migliorare l'efficienza energetica se adeguati all'applicazione. I convertitori di frequenza consentono di adattare velocità di rotazione e coppia a prodotto, grado di riempimento e fase di miscelazione. Possono ridurre i tempi di funzionamento a vuoto, migliorare la delicatezza sul prodotto e favorire un esercizio conforme al fabbisogno. Un recupero di energia in frenata è tuttavia rilevante solo in misura limitata in molti processi di miscelazione classici e dovrebbe essere valutato come vantaggio solo se le frenate dinamiche si verificano effettivamente di frequente e l'infrastruttura elettrica consente il recupero. L'intera catena cinematica dovrebbe quindi essere valutata non solo in base alla classe di efficienza, ma in base al profilo di carico reale, alle ore di funzionamento annue e al consumo energetico specifico.
Anche la progettazione di processo influenza l'efficienza energetica. Utensili di miscelazione favorevoli al flusso, una geometria del recipiente adeguata e un grado di riempimento idoneo possono ridurre il tempo di miscelazione necessario per una qualità di miscelazione definita. Un tempo di miscelazione breve, tuttavia, non è sempre l'obiettivo prioritario. Con prodotti sensibili o lotti di grande volume, un'omogeneizzazione più lunga e condotta lentamente può essere opportuna se consente delicatezza sul prodotto, qualità di miscelazione e una potenza installata inferiore. La scelta del miscelatore dovrebbe quindi avvenire sulla base di prove con il prodotto e criteri di qualità chiaramente definiti. Un confronto adeguato considera non solo il tempo necessario per raggiungere l'omogeneità, ma anche consumo energetico, temperatura del prodotto, tendenza alla segregazione, abrasione, perdite di prodotto e onere di pulizia.
Nel bilancio energetico rientrano, oltre all'azionamento di miscelazione, anche tutte le apparecchiature ausiliarie rilevanti. Tra queste figurano, ad esempio, organi di dosaggio, tecnica di trasporto, sistemi di vuoto e aria compressa, aspirazione, tecnica di controllo, nonché sistemi di riscaldamento o raffreddamento. Nei processi di miscelazione, essiccazione o reazione a temperatura controllata, il fabbisogno di calore e di freddo dovrebbe essere rilevato separatamente, ad esempio in kWh o MJ per lotto ovvero per tonnellata di prodotto. Un buon isolamento termico dei recipienti a doppia camicia può limitare le perdite di calore. Un recupero di calore è particolarmente rilevante dove dall'aria di scarico, dai circuiti di raffreddamento o dal calore di processo si genera effettivamente energia utilizzabile. Nei processi di miscelazione di polveri non a temperatura controllata, invece, il suo potenziale è spesso ridotto.
La sostenibilità comprende, oltre al consumo energetico, l'impiego efficiente di materie prime, acqua, prodotti chimici di pulizia e componenti di usura. Un buono svuotamento residuo può ridurre le perdite di prodotto e gli scarti, nonché diminuire l'onere di pulizia nei cambi di prodotto. Camere di miscelazione a bassa presenza di spazi morti, ben accessibili e facili da pulire possono aiutare a limitare il fabbisogno di acqua e prodotti chimici. Se un concetto di pulizia CIP, WIP o manuale sia la soluzione più sostenibile dipende da adesioni di prodotto, frequenza dei cambi, requisiti igienici, infrastruttura disponibile e requisiti di validazione della pulizia. L'impatto ambientale non dovrebbe essere misurato solo in base al consumo idrico, ma anche in base a impiego energetico, fabbisogno di detergenti, volume delle acque reflue ed eventualmente carichi rilevanti delle acque reflue.
Nella scelta dei materiali, usura, corrosione, igiene, riparabilità e riciclabilità devono essere valutate congiuntamente. Gli acciai inossidabili sono, in molte applicazioni, durevoli, ben pulibili e ben valorizzabili al termine della fase di utilizzo. Con prodotti abrasivi, materiali temprati, rivestimenti resistenti all'usura, rivestimenti duri o ceramiche tecniche possono aumentare la durata di esercizio di determinati componenti. Dovrebbero tuttavia essere impiegati solo se compatibili con prodotto, temperatura, pulizia, sollecitazione d'urto e requisiti normativi. Per i mezzi corrosivi entrano in considerazione, a seconda della sollecitazione chimica, ad esempio acciai austenitici o duplex, nonché leghe speciali idonee. Una qualità superficiale adeguata può ridurre le adesioni di prodotto e migliorare la pulibilità. Nelle applicazioni igieniche, per le superfici metalliche a contatto con il prodotto viene spesso utilizzato come valore orientativo un valore di rugosità di Ra 0,8 µm o migliore. La qualità superficiale effettivamente necessaria dipende tuttavia anche da geometria, esecuzione del cordone di saldatura, procedimento di pulizia e rischio igienico.
La longevità di un impianto di miscelazione è determinata dal dimensionamento adeguato di alberi, supporti, riduttori, giunti, tenute e utensili di miscelazione. Questi componenti dovrebbero essere adeguati al collettivo di carico effettivo, ai possibili squilibri, ai gradi di riempimento variabili, alle fasi di avviamento, all'abrasione del prodotto e alle ore di funzionamento previste. Valori obiettivo rigidi, come una durata minima dei supporti di 40.000 ore, non sono opportuni per ogni applicazione. La durata nominale dei supporti richiesta secondo ISO 281 dipende da criticità, carico, velocità di rotazione, concetto di manutenzione, sostituibilità e conseguenze di un guasto. Nei processi continui con disponibilità critica possono essere opportuni requisiti più elevati; per componenti facilmente sostituibili o a funzionamento intermittente, altri valori obiettivo possono essere più economici.
La facilità di manutenzione è un fattore essenziale per la sostenibilità tecnica ed economica. Tenute, supporti, utensili di miscelazione e organi di scarico ben accessibili abbreviano i tempi di ispezione e riparazione. Componenti di usura sostituibili, gruppi modulari e componenti il più possibile standardizzati facilitano la gestione dei ricambi e la manutenzione. La disponibilità a lungo termine dei ricambi dovrebbe essere garantita contrattualmente o tramite una strategia di servizio e retrofit tracciabile, anziché presupporre genericamente una disponibilità per 15 o 20 anni. La sensoristica per vibrazioni, temperatura, coppia, assorbimento di corrente o tempi di funzionamento può supportare la manutenzione basata sulle condizioni. Aiuta a riconoscere precocemente tendenze anomale e a spostare gli interventi di manutenzione in finestre di fermo pianificate. Restano tuttavia determinanti una qualità dei dati adeguata, la valutazione tecnica e un'organizzazione di manutenzione funzionante.
Per la valutazione della disponibilità sono utili indicatori come il Mean Time Between Failures, il Mean Time To Repair e l'Overall Equipment Effectiveness. Il MTBF descrive il tempo tra le interruzioni dovute a guasti, il MTTR il tempo medio necessario per il ripristino della funzione. L'OEE combina disponibilità, prestazione e tasso di qualità. Questi indicatori non dovrebbero essere considerati isolatamente, poiché un OEE elevato potrebbe essere ottenuto, ad esempio, a scapito di elevate quantità di scarto o di un impiego energetico eccessivo. L'analisi diventa significativa solo quando consumo energetico, perdite di prodotto, onere di pulizia, scarti, costi di manutenzione e cause di fermo vengono valutati congiuntamente.
Una valutazione ecologica solida può essere effettuata con un'analisi del ciclo di vita. La ISO 14040 descrive i principi e il quadro di riferimento di una valutazione del ciclo di vita, mentre la ISO 14044 stabilisce requisiti e linee guida per obiettivo e ambito dell'analisi, inventario, valutazione degli impatti, interpretazione, rendicontazione ed eventuale revisione critica. Per la scelta di un impianto di miscelazione ciò significa: confini di sistema, unità funzionale, fasi del ciclo di vita considerate, qualità dei dati, ipotesi e impatti ambientali rilevanti devono essere definiti in anticipo. Non è generalmente vero che l'energia operativa domini in ogni caso il bilancio di CO₂. Con un elevato grado di utilizzo e lunghi tempi di esercizio può essere determinante; con basso grado di utilizzo, materiali ad alta intensità energetica, ricambi frequenti o materie prime particolarmente ad alta intensità di emissioni, altre fasi del ciclo di vita possono incidere maggiormente.
Oltre alla valutazione del ciclo di vita, la decisione dovrebbe includere una considerazione del costo totale di proprietà o dei costi del ciclo di vita. Dovrebbero essere considerati acquisto, installazione, energia, fluidi ausiliari, pulizia, manutenzione, ricambi, personale, perdite di qualità, scarti, fermi non pianificati, modernizzazioni e smantellamento. Il periodo di osservazione non dovrebbe essere fissato genericamente da dieci a venti anni, bensì essere adeguato alla vita utile prevista, alla logica di ammortamento, allo sviluppo tecnologico e alla pianificazione di processo. Un'analisi del valore d'uso può integrare questi aspetti economici con criteri non monetari come delicatezza sul prodotto, qualità di miscelazione, idoneità igienica, pulibilità, flessibilità, scalabilità, intensità di CO₂, disponibilità e capacità di assistenza.
La scelta di un impianto di miscelazione sostenibile dovrebbe quindi basarsi su prove con il prodotto solide, consumi di energia e fluidi misurati o calcolati in modo tracciabile, una strategia di manutenzione realistica, nonché una valutazione trasparente dei costi del ciclo di vita e dell'impatto ambientale. La ISO 50001 può offrire in questo caso il quadro di riferimento per il miglioramento sistematico della performance energetica: la norma supporta le aziende nella raccolta dei dati, nella definizione degli obiettivi, nella misurazione e nel miglioramento continuo di efficienza energetica, impiego energetico e consumo energetico. La ISO 14001 può supportare un sistema di gestione ambientale; la ISO 14040 e la ISO 14044 sono rilevanti per lo svolgimento metodologico di una valutazione del ciclo di vita.
Così amixon® risolve questo compito
Per amixon® sostenibilità significa valutare impiego di energia, resa delle materie prime, onere di pulizia, manutenzione e vita utile economica come un sistema interconnesso. Nella scelta di un impianto di miscelazione non basta confrontare solo la potenza di azionamento installata o il prezzo d'acquisto. Determinanti sono il compito di miscelazione effettivo, il comportamento del prodotto, la dimensione del lotto, il grado di riempimento, la qualità di miscelazione richiesta, i requisiti di pulizia, nonché la modalità operativa prevista. amixon® può valutare questi fattori tramite prove nel centro prove con il prodotto originale e tramite dati di processo legati all'applicazione.
L'efficienza energetica è influenzata in modo sostanziale da principio di miscelazione, geometria dell'utensile, velocità di rotazione, grado di riempimento e tempo di miscelazione. In molte applicazioni, i miscelatori amixon® lavorano con basse velocità periferiche degli utensili di miscelazione. Ciò può consentire un ricambio di prodotto delicato e limitare l'apporto energetico meccanico. La potenza di azionamento necessaria viene tuttavia sempre progettata in base a prodotto, ricetta, compito di miscelazione, dimensione del lotto e omogeneità desiderata. Una bassa potenza installata da sola non è un criterio di efficienza sufficiente; determinante è il consumo energetico specifico con qualità di miscelazione raggiunta in modo riproducibile, ad esempio in kWh per lotto o per tonnellata di prodotto vendibile.
Tempi di miscelazione brevi possono ridurre il consumo energetico per lotto, a condizione che l'omogeneità richiesta venga raggiunta in modo affidabile. Nel miscelatore KoneSlid® KS, amixon® indica, in condizioni idonee, una qualità di miscelazione ottimale dopo circa 20-30 giri dell'utensile. Questo dato è specifico per prodotto e non è trasferibile in modo generico ad altri prodotti, gradi di riempimento o tipi di miscelatore. Nel miscelatore a due alberi HM, flussi di miscelazione sovrapposti possono favorire una miscelazione rapida e intensiva. Il tempo di miscelazione effettivo, il fabbisogno energetico e la qualità di miscelazione dovrebbero tuttavia essere sempre verificati con il prodotto originale.
Un tempo di miscelazione breve non è in ogni applicazione l'obiettivo prioritario. Quando delicatezza sul prodotto, omogeneità e una bassa potenza elettrica installata sono al centro dell'attenzione, un'omogeneizzazione più lunga e condotta lentamente può essere economicamente sensata. Il miscelatore Gyraton® GM segue questo principio. È progettato per lotti grandi e può rimescolare il prodotto sfuso in modo delicato con una velocità di rotazione ridotta. Ciò consente di mantenere bassa la potenza di azionamento necessaria in rapporto alla grande quantità del lotto. I miscelatori Gyraton® sono disponibili per dimensioni di lotto fino a 100 m³ e, a seconda dell'esecuzione, sono adatti a solidi sfusi asciutti, umidi o bagnati. La potenza del motore concreta, il tempo di miscelazione e la qualità di miscelazione raggiungibile vengono determinati in base al progetto specifico, a seconda di prodotto, dimensione del lotto, grado di riempimento e requisito di qualità.
Oltre al consumo energetico, la resa delle materie prime è un fattore di sostenibilità essenziale. Uno svuotamento il più possibile completo del miscelatore può ridurre le perdite di prodotto, gli scarti e l'onere di pulizia. A seconda di prodotto, tipo di miscelatore ed esecuzione, i miscelatori amixon® possono raggiungere gradi di svuotamento elevati. Per determinate esecuzioni, amixon® indica gradi di svuotamento fino al 99,98%. Con la tecnologia ComDisc®, in condizioni idonee, sono possibili gradi di svuotamento fino al 99,997% e oltre. La quantità residua effettivamente raggiungibile dipende tuttavia dal comportamento di scorrimento, dall'umidità, dalla dimensione delle particelle, dalla densità apparente e dalla tendenza all'adesione del rispettivo prodotto e dovrebbe essere verificata in prova.
Camere di miscelazione a bassa presenza di spazi morti e ben accessibili possono facilitare la pulizia. Con una progettazione adeguata di processo e impianto, ciò può ridurre il fabbisogno di acqua, detergenti, energia e interventi manuali. Nelle incorporazioni di liquidi, un dosaggio finemente distribuito e adattato alla ricetta può contribuire a limitare le adesioni locali. Se ne derivino effettivamente tempi di pulizia più brevi o un minor consumo di fluidi ausiliari dipende, tra l'altro, da prodotto, standard igienico, frequenza dei cambi e procedimento di pulizia. Con polveri sensibili alla temperatura, un principio di miscelazione delicato può inoltre aiutare a limitare un apporto termico indesiderato. Se ciò consenta di risparmiare energia di raffreddamento dovrebbe essere misurato per l'applicazione concreta.
La longevità è un ulteriore fattore di sostenibilità. Una costruzione robusta, materiali idonei, componenti adeguati all'usura, buona accessibilità per la manutenzione e la possibilità di modernizzazione possono prolungare la vita utile economica di un impianto di miscelazione. amixon® supporta i gestori con manutenzione, approvvigionamento di ricambi, retrofit e modernizzazione. Gli adeguamenti successivi possono riguardare, ad esempio, azionamenti, sistemi di controllo, sensoristica, funzioni di sicurezza, tecnica di dosaggio, pulizia o documentazione di processo. Consentono di adeguare gli impianti esistenti a nuove ricette, portate modificate, requisiti più elevati di tracciabilità o prescrizioni normative. Ciò può ridurre il fabbisogno di investimenti sostitutivi completi e il conseguente impiego di materiale ed energia.
Per una scelta fondata, gli indicatori di energia, risorse e disponibilità dovrebbero essere considerati congiuntamente. Sono utili in particolare il consumo energetico specifico per lotto o tonnellata di prodotto, l'assorbimento di potenza nell'andamento temporale, la quantità residua dopo lo svuotamento, il tasso di perdita di prodotto, il consumo di acqua e detergenti per pulizia o cambio di prodotto, il fabbisogno di componenti di usura, i tempi di fermo non pianificati, nonché la vita utile attesa. A seconda del concetto di automazione, questi dati possono essere rilevati, documentati e utilizzati per analisi di energia, CO₂, risorse o OEE in base al progetto specifico.
Prima di un investimento, il compito di miscelazione concreto può essere sperimentato nel centro prove amixon® con il prodotto originale. Presso la sede principale di Paderborn sono disponibili più di 30 impianti di prova in diverse taglie. amixon® gestisce inoltre centri tecnici negli Stati Uniti, in Cina, Giappone, India, Thailandia e Corea del Sud. Le prove possono essere condotte con le materie prime previste, gradi di riempimento realistici, dimensioni di lotto, nonché con gli intervalli di temperatura e pressione rilevanti. Vengono valutati, tra l'altro, qualità di miscelazione, delicatezza sul prodotto, apporto energetico, svuotabilità, pulibilità e riproducibilità. I risultati documentati creano una base solida per ponderare in modo trasparente i requisiti tecnici, ecologici ed economici prima di un investimento.