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Soluzioni avanzate per le decisioni di strategia energetica industriale

CDILabs e j4 hanno collaudato un piano di azione, che è stato applicato con successo a una realtà del settore automotive

17 Ott 2022

Filippo Lazzarin

J4

Jan Marc Schwidtal

CDILabs

Grazie al trasferimento tecnologico della ricerca scientifica, sono oggi disponibili strumenti avanzati per la simulazione di scenari energetici volti a obiettivi di decarbonizzazione, sicurezza energetica e riduzione dei costi operativi. In questo articolo, l’innovation advisory boutique CDILabs e la startup tecnologica j4 raccontano la loro esperienza nell’affrontare queste sfide per i clienti dell’industria ad alta intensità energetica. Grazie a modelli matematici e tool dedicati, in grado di considerare i sistemi energetici nel loro insieme e gli aspetti di incertezza ad essi associati, è possibile formulare strategie robuste ed efficaci in una frazione del tempo e a un superiore livello di accuratezza rispetto a quanto oggi ottenibile con metodi di analisi tradizionali. In un caso studio applicato a una azienda multinazionale del settore automotive, per la quale sono stati recentemente applicati gli strumenti menzionati, gli scenari strategici individuati riducono i costi fino al 30% e le emissioni climalteranti fino all’80%.

I limiti attuali e l’impatto dell’incertezza

Prima di quest’ultimo anno la preoccupazione e la consapevolezza nei confronti dell’incertezza in ambito energetico erano aspetti relativamente marginali, con variabilità dei prezzi e disponibilità delle fonti sostanzialmente sotto controllo da parte delle aziende.

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La situazione in questo 2022, caratterizzato da una crescente incertezza che ha impattato marcatamente sull’operatività, ha cambiato radicalmente il modo di guardare al fenomeno, rendendo la strategia energetica una parte chiave della gestione aziendale complessiva anche per imprese non “energy-intensive”.

Molte aziende, se non la totalità, stanno definendo o ripensando la loro strategia energetica guidate dalle preoccupazioni per la sostenibilità dei costi, la sicurezza degli approvvigionamenti e la sostenibilità climatica e ambientale.

La prassi odierna nell’affrontare i progetti di evoluzione dei sistemi energetici o di strategia energetica, specificatamente industriale, è l’identificazione – a valle di un’analisi della situazione corrente – di una rosa di interventi, valutati singolarmente per determinarne la convenienza in termini economici e di emissioni. Tendenzialmente si tratta di analisi svolte da professionisti dedicati con un impegno ed un orizzonte temporale più o meno estesi, quantificabili in media in circa 6-9 mesi di durata.

La maggior parte degli approcci tradizionali, infatti, fa affidamento su previsioni a lungo termine per stimare i parametri più importanti (e.g. uno su tutti il prezzo del gas naturale o dell’energia elettrica): come dimostrato da recenti studi, nei lunghi orizzonti temporali della pianificazione energetica tali previsioni si rivelano spesso ampiamente imprecise, e queste imprecisioni possono a loro volta portare ad errori nella determinazione delle capacità, del mix di tecnologie e delle fonti da utilizzare per la propria strategia, con gli impatti che oggi tutti possiamo constatare.

In estrema sintesi, l’attuale pratica della pianificazione energetica è affetta da tre principali limiti:

  • L’utilizzo di modelli e strumenti non automatizzati e creati “ad hoc”, che rendono le analisi laboriose e dispendiose in termini di risorse e tempo;
  • La mancanza di un approccio “integrato” che consideri tutti gli elementi che compongono un sistema energetico e le interazioni o sinergie tra i possibili interventi migliorativi;
  • L’assenza di strumenti che integrino l’incertezza nei modelli decisionali.

Semplificare le decisioni e gestire la complessità

Modelli innovativi e strumenti dedicati permettono di superare i limiti appena descritti velocizzando radicalmente le analisi e valutando in maniera combinata gli effetti dei diversi interventi, le dinamiche delle loro interazioni, le potenziali sinergie o incompatibilità, determinando dei risultati decisamente più affidabili rispetto ai tradizionali approcci a “Silos”.

Considerare la complessità dei sistemi nel loro insieme permette di valutare in maniera oggettiva e adeguata le differenti opzioni tecnologiche in contesti energetici multi-vettore, comparando e semplificando le decisioni tra tecnologie differenti e tra diverse opzioni commerciali per le medesime tecnologie.

j4 con la sua soluzione j4energy ha sviluppato negli ultimi anni dei metodi e modelli matematici in grado di formulare piani e strategie per sistemi energetici per aziende industriali che permettono di prendere decisioni in tempo reale, considerando i sistemi energetici nel loro complesso e tenendo in considerazione l’incertezza con tempi di calcolo molto contenuti.

Questi strumenti considerano molteplici aspetti, tra cui la domanda di energia, le caratteristiche di una larga parte delle tecnologie energetiche e loro declinazioni implementative, la disponibilità e costo delle fonti energetiche e numerosi ulteriori dati proprietari che permettono di agevolare le analisi nei casi in cui il dato sia più difficile da reperire (superando in tal modo una delle principali barriere oggi presenti nelle aziende industriali, ovvero la scarsa quantità e qualità di dati energetici a disposizione). Attraverso l’utilizzo di questi dati j4energy permette di identificare i migliori piani di investimento ed operativi per soddisfare la domanda, riducendo al minimo i costi energetici e le emissioni di gas serra, in considerazione dell’effettiva disponibilità delle fonti energetiche ed eventualmente dell’incertezza.

Diverse esperienze presso clienti industriali fanno notare come l’applicazione di modelli integrati abbia un impatto sostanziale sulle decisioni di pianificazione energetica, fornendo dei risultati determinanti e drasticamente diversi se comparati con gli approcci più tradizionali.

Illustrazione schematica dello strumento j4energy. I profili orari di domanda e offerta sono soggetti a metodologie di ottimizzazione avanzate con un’ampia gamma di applicazioni tecnologiche.

L’approccio CDILabs e J4Energy per la strategia energetica

L’approccio strutturato alla strategia energetica condotto da CDILabs e j4 consiste di quattro step consecutivi. Prendendo avvio dalla raccolta dei dati minimi necessari ad inizializzare il tool j4energy, il primo step consiste nella mappatura della situazione attuale dell’azienda, identificando come il consumo di risorse soddisfi le diverse tipologie di domanda all’interno di uno o più stabilimenti produttivi. Il consumo di energia avviene spesso attraverso molteplici vettori energetici come elettricità, gas naturale, vapore o acqua calda e fredda. Inoltre, le diverse tecnologie di conversione installate complicano il quadro come nel caso, ad esempio, una caldaia centralizzata che produce a calore per soddisfare diversi livelli di temperatura, e interagisce con altri impianti per il condizionamento di singoli reparti. La mappatura della somma di queste componenti tramite un modello energetico dedicato fornisce un primo approfondimento di valore, ad esempio per capire quanto consuma realmente ogni reparto, quali spese si riferiscono alle attività principali e quali ai servizi ausiliari o generali, informazioni sovente non disponibili in maniera fruibile all’inizio del progetto.

Dopo aver mappato lo “status quo”, lo sguardo volge verso la definizione di scenari futuri. Per individuare quelli più applicabili e realistici, vengono definiti gli obiettivi energetici ed i vincoli specifici dell’azienda. Tali obiettivi possono consistere in una completa decarbonizzazione, nella valutazione degli effetti di una disponibilità limitata di singole risorse energetiche, come il gas naturale, o anche la semplice ottimizzazione dei costi per determinate opzioni di fornitura.

Sulla base di queste specifiche, vengono derivati ​​potenziali scenari che evidenziano differenti opzioni di implementazione, dalle più semplici alle più complesse. Uno scenario semplice può consistere ad esempio nell’installazione di un impianto fotovoltaico per il quale deve essere determinata la giusta dimensione. Scenari più complessi invece possono suggerire l’utilizzo di differenti combustibili implementando un certo livello di pompe di calore in sostituzione delle tradizionali caldaie a gas. Con pochi clic si possono valutare anche scenari altamente innovativi come una combinazione dell’utilizzo di energia rinnovabile per la produzione di idrogeno ed il successivo utilizzo in caldaie predisposte per tale vettore, in combinazione con la produzione di calore elettrica diretta per i processi ad alta temperatura. Uno dei maggiori punti di forza del poter utilizzare degli strumenti digitali avanzati di simulazione, come J4Energy, sta proprio nel confronto semplice e diretto di tutti i tipi di scenario possibili senza limiti in termini di tecnologie e combinazioni, con la garanzia di individuare soluzioni ottimali grazie al rigore dei metodi matematici avanzati implementati nel “cuore” dei tool utilizzati.

Una volta definiti gli scenari di interesse, segue la valutazione dei loro risultati. I singoli scenari vengono valutati in termini di costi di investimento, costi operativi, risparmi di emissioni, livello di “indipendenza energetica” e ordinati in base alla loro convenienza. Integrando diverse opzioni, si può delineare una strategia multi-step che parte dal raggiungimento dei risultati a maggior impatto e minor sforzo, per poi definire misure strutturate per i livelli successivi fino al raggiungimento dell’obiettivo prefissato, come ad esempio una decarbonizzazione completa degli impianti. Un’analisi dell’incertezza dei prezzi dell’energia o dei prezzi di installazione (come, ad esempio, attualmente per i prezzi del gas o i prezzi di installazione dei sistemi di accumulo) aiuta infine a stabilire la priorità delle singole misure.

Case study: l’ottimizzazione dei costi per una grande industria ad alta intensità energetica

Un cliente che di recente CDILabs e j4 hanno supportato nelle proprie decisioni energetiche strategiche è un produttore del settore automotive che ha posto la sfida dell’ottimizzazione dei costi rispettando i propri obiettivi di decarbonizzazione. Come obiettivo intermedio, il cliente desiderava individuare soluzioni di breve che gli consentissero di superare gli obblighi previsti dell’European Emission Trading Scheme (ETS). Tali obblighi sono derivati dalle tecnologie attualmente installate, in particolare dalle grandi caldaie a vapore che producono sia il vapore di processo che le applicazioni di riscaldamento. Un’unità di cogenerazione e refrigeratori su larga scala per la refrigerazione industriale completavano il portafoglio piuttosto tradizionale (sebbene non necessariamente obsoleto) di asset energetici dell’azienda.

La prima mappatura dei modelli di consumo tra i molteplici reparti produttivi ha svelato in primo luogo quanta energia è utilizzata per le principali attività produttive e quanta invece per i servizi generali come riscaldamento e illuminazione, mappatura che in precedenza non era disponibile e chiara al management. Con tutta l’energia termica fornita dalle caldaie a vapore precedentemente menzionate, la suddivisione in applicazioni di processo e riscaldamento ha fornito una prima indicazione di quanta energia termica possa essere prodotta dall’utilizzo di pompe di calore e quanta invece necessiti di temperature elevate che le pompe di calore commerciali sono non ancora in grado di generare.

Le seguenti analisi di scenario hanno confrontato la situazione attuale con l’introduzione di diversi livelli di sostituzione tecnologica. Le pompe di calore per applicazioni industriali a bassa e media temperatura (ossia fino a 80 ºC) sono emerse come un elemento fondamentale per raggiungere l’obiettivo a breve termine del superamento degli obblighi ETS.

L’implementazione di tale tecnologia ha dimostrato di offrire vantaggi significativi rispetto all’attuale combinazione di caldaie a vapore con scambiatori di calore acqua-vapore quantificabile in circa il 15% di risparmi OPEX (pari a circa 1,2 milioni di euro all’anno) e quasi il 20% di risparmi sulle emissioni di CO2 (pari a circa 6,800 t_CO2 all’anno).

Pompe di calore rappresentano una delle tecnologie chiave per sostituire le caldaie a gas, se progettate correttamente. Caldaie a idrogeno o il riscaldamento diretto tramite elettricità forniscono ulteriori complementi all’insieme degli scenari di decarbonizzazione per le applicazioni ad alta temperatura. Fonte dell’immagine: Shutterstock con licenza standard.

Conclusioni

Le complessità intrinseche dei sistemi energetici industriali, amplificate da significativi livelli di incertezza rispetto ai costi e alla reperibilità delle risorse energetiche, ai tassi di interesse, alla disponibilità delle tecnologie, etc. stanno ponendo sempre maggiori sfide ai decision-maker aziendali.

L’accuratezza di analisi dei sistemi energetici, considerati in maniera integrata, la possibilità di evolvere rapidamente gli scenari e la consapevolezza del livello di robustezza delle proprie decisioni sono diventati aspetti imprescindibili per la sopravvivenza così come per lo sviluppo continuo aziendale.

L’utilizzo di metodi scientifici, adeguatamente tradotti in pratica tramite applicazioni fruibili dagli utenti di business, può oggi fare la differenza per la competitività aziendale, abilitando decisioni strategiche robuste anche nei confronti di un futuro che si sta dimostrando, purtroppo, ogni giorno sempre più incerto. CDILabs e j4 insieme propongono un metodo testato con successo per abilitare le decisioni strategiche in questi contesti evolutivi.

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