ガラスのエネルギー効率の向上技術

日付: 2023 年 2 月 21 日

著者: アレッサンドラ・カンティーニ、レオナルド・レオニ、サヴェリオ・フェラーロ、フィリッポ・デ・カルロ、キアラ・マルティーニ、ファブリツィオ・マルティーニ、マルチェロ・サルヴィオ

ソース：プロセス 2022、10(12)、2653

土井：https://doi.org/10.3390/pr10122653

(この記事は、クライメートニュートラル エネルギー システムのためのテクノロジー特集号に属します)

ガラス産業は非常にエネルギー集約的であり、毎年約 5 億～7 億 GJ を消費します。 非効率な装置をより性能の良い装置に置き換えることは、ガラス工場のエネルギー消費を削減するための良い戦略です。 代替ソリューションが多数あるため、どの技術改善を実装するかを選択するのは通常困難です。 したがって、ガラス工場のエネルギー消費を削減するためのソリューションを検討することが極めて重要です。 文献には同様の研究が記載されていますが、それらは十分に最新のものではなく、更新されるべき実際の最先端技術を表していません。 したがって、この文書は、代替ソリューションをさまざまなカテゴリ (プロセス段階など) に分類して、代替ソリューションの最新リストを提供することを目的としています。

さらに、この論文はイタリアにおける省エネソリューションの現在の適用可能性を調査します。 具体的には、イタリア企業 103 社のサンプルが検討され、企業が最近実施した、または導入する予定の介入の種類が分析されます。 最も人気のあるソリューションを強調し、その費用対効果を判断するために、定量的な統計分析と経済分析が実施されました。 その結果、ほとんどの介入は、主に補助システムにおいて、機械をより効率的なものに置き換えることで構成されていることが示されています（426 件中 132 件）。 この論文の成果は、省エネソリューションを選択するためのガイドとなる可能性があります。

ガラス製造工場の生産プロセスは通常、エネルギーを大量に消費し、大量のリソースを必要とします。 ガラス製造プロセスでは、製造されるガラス 1 トンあたり約 5÷÷7 GJ が消費されると推定されており [1]、世界のガラス生産量は年間約 1 億トンです [2]。 世界中で、ガラス製品は 91 か国の 1,141 の企業やグループによって生産されており、毎日の総生産能力は 500 トン/日を超えています (https://plants.glassglobal.com/login/ (2021 年 5 月 27 日にアクセス)) [3] ]。 イタリアでは、ガラス生産量が年間約 600 万トンで、CO2 が約 270 万トン生成され、天然ガスが年間 9 億 7,000 万 Sm3 消費されています (全国の天然ガス消費量の約 1%) [4]。

製造業が世界的な生態系の持続可能性に大きな影響を与えていることを考慮し、競争市場によってもたらされる経済的圧力の増大と利用可能なエネルギー資源の減少を考慮すると、生産システムのエネルギー効率を最適化することが主要な関心事となっています[5,6]。 ]。 この観点から、ガラス部門のエネルギー消費を削減するには、技術レベルと経営レベルの両方で行動することが可能です。 技術的側面に焦点を当てると、追求すべき戦略の 1 つは、非効率な装置をより性能が高く、エネルギー消費量の少ない装置に改造または交換することによって生産プラントを改善することです [7]。 介入では、ガラス生産の生産プロセスを構成する資産と補助システム (エンジン、コンプレッサーなど) の両方が考慮される場合があります。 セメント産業 [8] や鋳物産業 [9] など、他のセクターは製造プロセスのエネルギー効率を高めるための技術的介入の分析を提案しています。

ガラスの製造プロセスは、(i) 溶融準備、(ii) 溶融と精製、(iii) コンディショニングと成形、(iv) 仕上げといった 4 つのマクロ段階に分類できます (図 1 を参照)。

図1によれば、製造プロセスは原料の供給後に始まる溶融調製から始まります。 ガラスの製造に使用される主な原料は砂 (70 ～ 72%) であり、主にシリカの形であり、化学プロセスでガラス化剤として機能します。 溶解剤 (ソーダ灰、14%)、安定剤 (石灰石、10%)、化学的物理的特性を決定するための酸化物、および多くの場合ガラスのスクラップ (カレット) など、さまざまな成分が砂に追加されます。 原材料を調達したら、溶融調製中に、最終製品に必要な特性を得るために、適切な量で秤量、粉砕、混合されます。 続いて溶融および精製段階が行われ、材料は徐々に摂氏約 1500 度まで加熱されます。 最初に水の一部が除去され、酸化段階が実行されて炭酸塩と硫酸塩が解離されます。 次に、混合物を炉内でガラス塊が溶融するまで加熱します。溶融物質の添加により促進されます。

その後、この化合物は市場の要求に応じて精製および脱色/着色プロセスを経て処理されます。 精製プロセスでは精製剤によって気泡の存在が除去され、脱色は酸化物の助けを借りて実行されます。 溶融段階は最もエネルギーを消費する段階であり、これは主に、燃焼、電極接触、または混合方法によってガラスを加熱する溶融炉に起因します [10]。 次に、コンディショニングおよび成形段階で、ガラス製造プロセスは、達成される最終製品に応じて区別され、板ガラス、容器ガラス、特殊ガラス、およびグラスファイバーの 4 つの異なるタイプに分類できます [11]。 板ガラスは通常、建築および自動車分野で使用されます（住宅および商業建築用の板ガラスやフロートガラス、自動車用途、カウンタートップ、鏡など）。

容器ガラスは、食品および飲料分野では中空ガラス、香水および医薬品分野では白質ガラスにそれぞれ分類できます。 特殊ガラス製品は家庭部門に属します（食器、調理器具、照明、テレビ、液晶ディスプレイ、実験器具、光通信用のプレスガラスや吹きガラスなど）。 最後に、ガラス繊維は、断熱材用のグラスウールまたは繊維/強化繊維として分類できます。 この段階では、製品に応じてプロセス資産が変わります。 一般に、溶融、精製、冷却されたガラス塊は、休息した後、チャネルを通って炉から出て、溶融ガラスを成形機に輸送する「前炉」と呼ばれる流動システムに入ります。 チャネルを通過して調整が完了した後、ガラスは成形機に入り、そこで最終的な形状になります [11]。 最後に、仕上げ段階で、最終製品に必要な表面特性を決定します。

ガラス製造工場のエネルギー効率を高めるために、生産プロセスの各操作に対してさまざまな技術ソリューションが開発されました。 ガラス製造に関連する利用可能な最良の技術参考文書 (BREF) は、エネルギー効率の向上を達成するためにガラス分野で使用される参考文書です [12]。 欧州連合は、エネルギー効率を高めるためのガイドラインとして機能する出版物として BREF を作成しました。 BREF に加えて、技術資産に適用できるエネルギー効率に関する他のソリューションも文献で見つけることができます。 たとえば、溶融準備段階では、コンポーネントのコンピューター計量用の秤 [12]、バッチやカレットを予熱するための原料搬送システム [11、12、13]、エネルギー効率を改善するための粉砕機に関するソリューションが考えられます [14] ] および粉砕と混合を同時に行うための [15]。

溶解および精製段階では、省エネ ソリューションは主に溶解炉、バーナー、電極に関係します。 バウアーらの研究。 [16] は、放散された熱を回収するために機械の壁に熱起電力システムを設置することを提案しています。 コンディショニングおよび成形段階では、ソリューションは成形機と高炉に関係しており、一部のソリューションはそれらを酸素燃料または電気加熱モデルに置き換えることに対応しています [11]。 最後に、仕上げ段階では、損失を減らすための炉などの機械や、より効率的なタイプの設置に関する解決策が考えられます [11]。 広く提案されているソリューションは、特に溶解炉、バーナー、高炉など、非常にエネルギーを大量に消費する、またはエネルギー損失が大きい技術資産の改修による機械の改善に関するものです [11]。

しかし、市場には多数の代替手段が提供されているため、どの技術改善介入を採用するかを選択するのは困難です。 その結果、環境への移行に関心のある企業は当惑し、投資する最適な生産技術を選択できなくなります。 これらの理由から、科学文献では、エネルギー問題を克服し、エネルギー消費を最小限に抑えるための主要な技術のレビューを開発する取り組みがすでに行われています[12、17、18]。 ただし、この文献は十分に最新のものではなく、過去 10 年間に達成された技術開発を考慮していません。 さらに、提案されたソリューションは、それらが参照するプロセス段階 (溶融準備、溶融と精製、コンディショニングと成形、仕上げ) に従って分類されていますが、利用可能な代替案を要約し、それらを次の基準に従って分類する総合的な分類はありません。それらが動作する特定の資産。 最後に、そのようなソリューションが実際のビジネスの状況に現在適用可能であるという本当の証拠が欠けています。

このギャップを埋めるために、現在の研究では 2 つの目的を追求しています。 最初の目的は、ガラス製造工場向けの技術的省エネ機会の最新リストを、プロセス段階と関係する資産の両方に応じて分類して提供することです。 2 番目の目的は、イタリアの現状と将来の展望をマッピングすることです。 この目的を達成するために、企業のサンプルを分析し、最近実施された省エネ対策と今後数年間に提案される技術資産のソリューションに関する統計的考察を導き出しました。 現在の研究に必要な情報は、イタリアの 103 の異なるガラス製造施設のエネルギー評価 (EA) から取得されました。これらの評価は、イタリアで施行された立法令 102/2014 の第 8 条に準拠するためにガラス産業企業によって完了されました。エネルギー効率指令 (EED) 2012/27/EU。

この文書で提供される情報はすべて、エネルギー消費と持続可能性を改善するためのガイドを探しているガラス分野の企業にとって役立つ可能性があります。 この記事では、技術的な機会に焦点を当て、ガラス製造装置に関するソリューションのみについて言及します。 この議論では、工場が設置されている工場小屋の照明や暖房に関する解決策は除外されています[19]。 品質管理、メンテナンス、製品の梱包活動（生産プロセスの下流）に関するソリューション [12、20]。 センサーの設置に関するソリューションは、技術であるにもかかわらず、通常、管理ソリューション (プロセス制御と最適化) を実装するためにソフトウェアやコンピューター システムと一緒に使用されます [21]。 それどころか、ガラス製造プロセスのエネルギー効率を無視できない、補助システムに関連するソリューションが考慮されています。

この文書の残りの部分は次のとおりです。セクション 2 では、目標を達成するために使用するアプローチの概要を説明します。 セクション 3 では、提案された方法論を適用することにより、利用可能なテクノロジーの最新リストが提供され、イタリアのシナリオの分析が示されます。 セクション 4 では結果について説明します。 最後にセクション 5 で結論を報告します。

欧州議会および欧州理事会は、2020 年までにエネルギー使用量の 20% 削減を達成することを目的として、2012 年 10 月にエネルギー効率指令 (EED) を発行しました [22]。 欧州の目標の達成を保証し、2020 年以降のさらなるエネルギー効率 (EE) の進歩への道を開くために、EED は EE 促進のための共通の対策枠組みを開発しています。 確立された枠組みの第 8 条では、影響を受ける企業にエネルギー監査 (EA) を作成することが求められています。 EA は、省エネ技術への将来の投資の可能性を分析するために必要な体系的な文書です [8]。 この収集は必須であり、大規模組織やエネルギー集約型組織からは 4 年ごとに義務付けられています。 具体的には、各 EA には、施設の位置、企業の広範な特徴、製造プロセスの種類、完成製品の種類に関する正確な詳細が含まれています。

イタリア政府は 2014 年に EED を施行し (2014 年立法令 102 号の可決により、つい最近2020 年立法令 73 号で更新されました)、特定クラスのエネルギー集約型企業を含める義務を拡大しました。 イタリアでは、EA 要件は大企業と、1 GWh を超える電力を使用し、電気料金の減税を受けているエネルギー集約型企業の両方に適用されます。 これらの企業は、環境エネルギー サービス基金 (CSEA) のデータベースに含まれています。 イタリアでは、EED 枠組み領域の管理と実施は、EA の収集を担当するイタリア国立新技術・エネルギー・持続可能な経済開発庁 (ENEA) に委託されています。 この目的のために、Audit102 Web ポータル (https://audit102.enea.it/ (2022 年 10 月 26 日にアクセス)) が使用され、サイトレベルでの消費と介入の両方に関するデータベースが ENEA に利用可能になります。

この研究の目的にとって、最も適切なデータは、イタリア企業が 2015 年から 2019 年の間に実施した介入に関連するデータと、2019 年から 2022 年の間に導入が検討されると EA で特定されたデータです。これらのデータは両方で分析されました。 EA の新しいソリューションで省エネ ソリューションのリストを更新し、文献ですでに入手可能なソリューションを確認します。 実施および計画されている生産技術に関する情報を収集することで、ガラス分野が今後数年間でどのように発展するかを示すことが可能になります。

3 段階の方法論に従って、103 のガラス製造工場における省エネ技術の機会の最新リストが提供され、イタリアで現在最も考慮されている介入が特定されました。 取得したデータはスプレッドシート データベースに入力され、技術的ソリューションの数を増やすために利用されました (付録 A の表 A1、表 A2、表 A3、表 A4、表 A5 を参照、斜体)。

2.1. 省エネ技術機会の研究

ガラス生産工場でのエネルギー消費を削減する技術的機会を探すために、科学文献が参照されました。 オンライン データベース Google Scholar および Scopus を検索し、「ガラス製造におけるエネルギーの機会」、「ガラス技術」、「ガラス工場のエネルギー節約」などのキーワードを入力すると、興味のある記事 40 件が特定されました。 この研究の結果は、省エネ技術ソリューションのリストを作成するために使用され、リスト内の各代替案を、それを特定するために参照した書誌情報源と関連付けられました (付録 A の表 A1、表 A2、表 A3、表 A4、および表 A5)。 ）。 発見された技術的ソリューションは、プロセスの段階とそれらが作用する機械に応じて細分化されました。

表 A1、表 A2、表 A3、表 A4、および表 A5 の内容を検証するために、103 社のイタリア企業のサンプルが分析されました。 これらの企業は図 2 に示すようにイタリアに拠点を置き、図 1 に概要を示した生産プロセスを特徴としています。企業には構造化されたアンケートが与えられ、2 つの自由回答形式の質問に回答するよう求められました。 まず、過去 4 年間にどのような省エネ技術ソリューションを導入したか。 第二に、今後数年間でどのようなソリューションを実装するつもりなのか。 アンケートの結果は技術的解決策のリストを拡張するのに役立ち、経験豊富な実業家に相談して作成された文献の機会に追加されました。

プロセス段階、生産機械、最終製品の種類ごとに分けられた技術ソリューションのリストは、企業に持続可能性を向上させるための総合的なツールを提供します。 実際、プラントの特定のエリア/機械でのエネルギー消費を削減したいと考えている一般的な企業は、この文書を参照して、利用可能な代替手段をすぐに特定できます。

2.2. 現在のイタリア情勢の概要

アンケートの結果は、過去 4 年間にイタリアでどの技術ソリューションが導入され、どの技術ソリューションが将来のアクションとして提案されたかを分析しました。 各ソリューションの選択頻度を計算することで統計情報を収集しました。 特に、イタリアの状況におけるさまざまな技術的解決策の適用度が推定され、近年実施された介入の数と種類が明らかになりました。 一方、イタリアにおける技術の将来の発展の見通しについては、提案されている介入の数と種類を考慮することで得られます。 ガラス分野の各 EA について次の情報が分析されました。

式 (1) および (2) で述べたように、周波数 fa,i および fs,i の計算は、観測値の数と観測値の総数の比から得られます。 この場合、観測値の総数はサンプル次元 (SD、つまり 103 社) に等しくなります。 図 2 に概略図を示します。

ガラス製造プロセスでは、一部のソリューションの適用範囲が限られている可能性があることを覚えておくことが重要です。 実際、プロセスのマクロ段階が製品の種類ごとに同じであっても (図 1 を参照)、変動性と最終用途分野により、技術資産は異なります。 たとえば、板ガラス製品は、圧延または絞り加工によって連続成形操作を実行します。 一方、容器用ガラス製品は、プレスやブロー、特殊な金型での成形が必要です。 さらに、二次加工のみが必要な製品もあり、すべての組織が完全な生産サイクルを実行しているわけではありません。 ガラス現場で採用されている技術に関連する傾向をより現実的に表現するために、適用および提案された介入の頻度に関する統計データが式 (3) および (4) から計算されました。

ここで、reference_SD は、そのような介入を検討しているサイトの 2 次サンプルを示します。 新しい周波数値は、イタリアのガラス産業における最も関連性の高い技術の現在および将来の状況を推定することができます。

2.3. 収集した省エネ介入の定量的経済分析

Audit102 データベースに収集された EA には通常、実施および特定された介入に関連する定量的データが含まれていました。 省エネソリューションに関する情報を分析し、石油換算トン（トー）で総節約量を計算する介入領域を割り当て、ガラス部門の指標と統計を計算するための標準化されたアプローチが開発されました。 Audit102 データベースの介入は当初、300 以上の領域に割り当てられていましたが、現在は 17 の介入領域に割り当てられています。 次に、結果を介入カテゴリーに分類して説明します。介入カテゴリーは、技術的なもの (「圧力システム」や「火力発電所と熱回収システム」など)、または管理的なもの (監視システムの導入や改善、導入など) です。 ISO 50001 認証またはトレーニング コースの受講。

さまざまなタイプのエネルギー節約に関する数値が提供されます。具体的には、電力、熱エネルギー、輸送用燃料（該当する場合）、およびその他の節約です。 その他の節約とは、エネルギー監査で 2 つの要素の細分化が利用できなかった電気節約と熱節約の組み合わせ、または他のエネルギーベクトルの節約を指します。 これらの数字は、実施された介入によって達成された節約額と、提案された（将来の）介入による潜在的な節約額を示しています。 特定された介入に関しては、すべての介入が実施のために選択されるわけではなく、その導入は適時に延期されるため、潜在的な節約額は最大の閾値を表します。 このため、以下の分析では、これらの介入を「提案された介入」と呼ぶこともあります。

CAPEX もデータベースでカバーされており、介入が実施された場合には、インセンティブなしで計算された単純な回収時間などのさらなる経済指標が提供されます。 データベース情報に基づいて、つま先で測定された世界のエネルギー節約量を計算し、最終的なエネルギー節約量または一次エネルギー節約量として分類できます。後者は、技術介入分野「コージェネレーションおよびトリジェネレーション」および「再生可能エネルギー源からの生産」を指します。 」。

設備投資とエネルギー節約に関する情報を使用して、各介入ごとに節約されたエネルギーの費用対効果指標が計算され、つま先あたりの投資額として測定されました。 指標は、式 (5) で示されるように、実装された EPIA と特定された EPIA の両方について推定されます。

企業およびすべてのサイトの NACE コードを使用して、セクター固有の分析を開発できます。 これらのデータは、企業が他のソリューションではなく特定の省エネ ソリューションを採用した理由を特定するために収集および分析されました。 セクション 2.2 と比較して、このフェーズでは、投資コストと、検討された各介入に関連して期待されるエネルギー節約の両方を考慮して、経済的な観点から採用された介入を分析することができます。

イタリアでは、ガラス生産拠点 103 か所が特定され、EA の提供を求められています。 サイト密度が最も高いのはヴェネト州で 21 件、次にロンバルディア州で 20 件です (図 3)。 103 拠点の構成サンプルのうち、イタリア北部地域 (リグーリア州、ピエモンテ州、ロンバルディア州、トレンティーノ - アルト アディジェ、ヴェネト、フリウリ - ヴェネツィア ジュリア州、エミリア - ロマーニャ州) には、合計 69 のガラス生産施設を備えた拠点がより密集しています。 。 イタリア中部の地域 (トスカーナ、マルケ、ウンブリア、ラツィオ) には 24 の生産拠点があり、残りの 10 拠点は南イタリア (アブルッツォ、カンパニア、プーリア、シチリア) にあります。

103 件の EA から、すべての企業が原材料の準備と仕上げ作業を行っていることがわかりました。 合計 53 社が生産サイクル全体 (図 1 のすべてのフェーズ) を実行します。 表 1 に示すように、生産サイクルでは 6 種類の最終製品が提供されます。分析サンプルのほとんどのサイトでは、特に医薬品、食品、家庭用の中空ガラス (49%) が生産され、続いてグレージング システムが生産されています。 (40%)。 他の製品タイプはガラス繊維 (5%) です。 フロートガラス (4%); 中空ガラスの二次加工(3%)。 モザイク、タイル、電気絶縁体用ガラス、舷窓（2%）、ガラス管（1%）などのその他の製品。

表 1. イタリアの 103 のガラス生産拠点で製造される最終製品の種類。

最後に、ガラス製造プロセスで使用される原材料の種類（表 2 を参照）については、103 EA のうち 50% の拠点がバッチを使用し、次いでカレットと板ガラスが使用されており、それぞれの割合は46％と37％。 ガラス棒 (8%)、装飾用中空ガラス (3%)、未使用のガラス結晶 (1%) は利用価値が低いことがわかりました。

表 2. 原材料の種類。

3.1. EA の省エネ技術

イタリアのガラス製造組織によって実施および提案された技術的介入は、セクション 2.1 で説明したように、EA の分析から得られました。 表 3 は、生産プロセス (最初の列) ごとに分類された、実施および提案された介入のリスト (4 番目の列) を示しています。 理解を容易にするために、2 列目はソリューションに関連するプロセス マシンを示し、3 列目はソリューションの目的を示します。 最後に、残りの列は、EA によって検出されたアプリケーションの数とその頻度に関する定量的な情報を報告します。 この表は、ガラス製造プロセスのエネルギー効率について科学文献で提案されている介入の結果を考慮して編集されました。 このため、表 3 の文献 (EA に限らず) にある解決策も斜体で示しています。

表 3. イタリアのガラス生産 EA の結果。

ガラス分野の 103 件の EA の分析から、特定のソリューションの関連性と使用法を特定することができます。 実際、null 以外のソリューションfrelevant_a,i値は、イタリアの企業によって近年高度に導入されたエネルギー効率の高いソリューションを表しています。 一方、非ヌルの介入関連する人、私値は、まだ実装されていないが、購入と適用に近いソリューションを表します。 高いソリューションであると言えます。frelevant_a,i値は業界内で確立されたエネルギー効率ソリューションを表しますが、エネルギー効率が高いソリューションは、関連する人、私この値は、企業がエネルギー効率と経済節約のために適用することに強い関心を持っている介入を示しています。

103 件の EA の結果を分析して、プロセス段階ごと (図 4)、プロセス機械ごと (図 5)、最終製品の種類ごと (図 6) に提案および実行された介入の数を決定しました。

ガラス製造プロセスのマクロ段階（図 1 を参照）に関して、表 3 の結果は補助サービスへの高い関心を示しており、44 件の介入が実施され、132 件の介入が提案されています（図 4 を参照）。 マクロフェーズの中でも、介入価値が高いのは溶融・精製、仕上げ工程である。 前者では、提案された介入 (43 件) よりも実施された介入 (72 件) が多く、仕上げ段階ではその逆も同様で、それぞれ 30 件の介入が実施され、80 件の介入が提案されました。 プロセス段階に関係する介入の結果は、過去 4 年間、エネルギー効率の高いソリューションの導入により、核融合と精製、および補助サービスに多大な注意が払われてきたことを示しています。 対照的に、今後 4 年間で、補助サービスと仕上げ段階に大きな変化がもたらされるでしょう。 プロセスの上流段階 (融合準備) と中間段階 (コンディショニングと成形) では、いくつかのソリューションが強調表示されます。 この結果は、企業が溶融、精製、仕上げなどのエネルギー集約型プロセスの高度な改善に関心を寄せている可能性があるという事実に起因している可能性があります。

データは各フェーズのプロセスマシンを考慮して分析することもできます (図 5 を参照)。 最も一般的な介入は、炉 (56 件)、圧力システム (32 件)、熱回収システム (26 件) です。 実際、炉は、溶融と精製 (47 ソリューション) および仕上げ (9 ソリューション) のために設計された非常にエネルギー集約的な資産であることが判明しました。 これらのマシンに対する最も一般的な介入は、より高い効率を確保するための改良に関するものです [6、11、12]。 炉と同様に、熱回収システムの介入のほとんどは溶融および精製段階 (20 の解決策) に関係しており、主な焦点は耐用年数が終了した再生炉の設置です [11,23]。 一方、圧力システムに対して実行された介入は主に補助システムに関係しています (26 の解決策)。 これらの資産に対して実装される最も一般的なソリューションは、機械 (エンジン、ポンプ、コンプレッサーなど) の改修に関するものです。

提案された介入に関してはさまざまな結果があり、その大部分は圧力システム (94 件)、モーター (55 件)、および熱回収システム (45 件) に関するものでした。 実施される介入に関しては、圧力システムは補助システム (70 のソリューション) を含むプロセスにより重点を置き、主にパイプ接合部や漏れが発生しやすい箇所での圧縮空気損失の削減を目的としています [11、12、24]。 同様に、モーターの効率に関して提案されたソリューションは、主にプレミアム効率モーター (クラス IE2、IE3、および IE4) の設置と、既に存在するモーターへのインバーターの設置による補助システム (35 のソリューション) を指します。システム。 その代わりに、熱回収システム用に提案されているソリューションには、主に溶融および精製段階 (19 件のソリューション) と仕上げ段階 (16 件のソリューション) が含まれています。 溶融および精製段階では、最も提案されている介入は、蒸気またはカレットの間接予熱のためのプレート熱交換器の使用と、利用可能な回収システムを熱ベクトルとしてメタンまたは有機流体を使用する他の回収システムに置き換えることに関するものです。 (ORC型交換器)。 最後に、EA 分析にほとんど関与していない機械は、実施された介入と提案された介入の両方の前炉、成形、仕上げ機械、冷却器、輸送システムであることを強調する必要があります。

イタリアのガラス部門では、数種類の最終製品が製造されています (表 1 を参照)。 EA 分析の結果 (表 3) と最終製品ファミリーを組み合わせることで、実施および提案された介入の関連性についてコメントすることができます (図 6 を参照)。 実施された介入のほとんどは中空ガラスを製造する企業に関するもので、116 件の発生が検出されました。 この結果は主に、中空ガラスがイタリアの企業によって最も広く加工されている製品タイプであるためです。 しかし、製造拠点数で加重加重した介入を考慮すると、ガラス管（介入 4 件）、フロートガラス（介入 10 件）、その他のガラス（介入 5 件）が高い値に達しています。 実際、この地域ではガラス管は 1 社のみが生産し、フロートガラスは 4 社が生産していますが、その他の製品は 2 社が生産しています。 ガラスシステムの介入件数は、この地域で 2 番目に普及している製品であるにもかかわらず、17 件しか記録されておらず、あまりよく考慮されていないようです。 提案された介入に関する限り、解決策の数が最も多いのは中空ガラスとグレージング システムで、それぞれ 134 件と 82 件の解決策があります。 同様に、生産現場を考慮すると、他の製品を扱う企業がより多くの介入を計画しています(14)。

3.2. EA の経済分析

ガラス分野で実施および特定されたすべての介入を見ると、達成された最終エネルギーの節約は最終エネルギー消費の 0.7% に相当し、最終エネルギーの潜在的な節約はさらに 0.9% を占めることになります。 前のセクションで説明したように、実施された介入と特定された介入の両方について、この記事の焦点は、生産段階、補助システム、および熱回収システムに関連する技術的ソリューションにあります。

実施された介入に関する定量的情報を報告している合計 40 の生産拠点が、分析された EA にリストされており、対応する最終エネルギーの節約量が表 4 に示されています。定量的情報は、「圧力システム」、「火力発電所」の 4 つのグループで特定されています。 「熱回収システム」、「エンジン、インバーター、その他の電気設備」、「生産ラインと機械」。 生産ラインは、大幅なエネルギー節約と最大の経済投資 (合計および平均の両方) を決定します。 電気炉または燃料炉に関する介入は、表 3 に示す技術的解決策と一貫してこの領域に含まれており、これらは主に、既存の炉をより近代的で効率的な炉に置き換えることによって表されます。 圧力システムは、節約と総投資の両方の点で 2 番目の分野ですが、火力発電所と熱回収システムは平均投資の点で 2 番目の分野です。 表 4 および表 5 に示す平均定量データは、定量情報を報告した生産拠点数の平均として計算されました。

表 4. 実施された技術介入によってもたらされたエネルギー節約量。 年間の合計節約量は、熱エネルギー、電気、燃料の節約量の合計として計算されます。

表 5. 技術介入を適用するために必要な投資。

費用対効果指標は介入領域ごとに計算され、表 6 に示すように推定されました。入手可能な情報により、定量的に収集された 40 の介入のうち 27 についてそれを計算することができ、エネルギー節約とコストの両方に関する情報が報告されました。 「圧力システム」の領域は、指標の有利な値を示しており、これが大きな適用性を備えたタイプの測定であることが確認されています。 「エンジン、インバータ、およびその他の電気設備」、および「生産ラインおよび機械」は費用対効果指標が中程度の値を示しますが、「火力発電所および熱回収システム」分野は費用対効果指標の相対値が最も低くなります。インジケータ。

表 6. 各介入分野の費用対効果指標。

調査された EA では、提案された介入に関する定量的情報を報告している合計 162 の生産拠点が特定されました。 この分析の目的のために、実施された介入についてすでに説明したように、照明、管理介入、再生可能資源からの生産など、生産プロセスや補助システムに影響を与えない介入は 4 つのグループに分類されます。 表 7 と表 8 は、最終エネルギーの節約と、EA で実現可能性調査を提案した生産サイトによって示された投資コストをまとめたものです。 表 9 は、提案された介入に対して計算された費用対効果の指標を示しています。 実現可能性調査では、「火力発電所と熱回収システム」および「生産ラインと機械」分野で大幅な熱節約を達成しながら、すべての分野で電力節約が達成されると推定されました。 省エネ効果が最も高かったのは「火力発電所および熱回収システム」分野でした。

実施された介入で観察されたように、生産ラインでの介入は潜在的な節約効果が高く、最も重要な投資コストがそれに続きます (表 8)。 この分野は比較的優れた費用対効果の指標を示しており、表 3 に示すように、ほとんどの技術的ソリューションが炉に適用されています。 実施された介入に関しては、この場合、炉の交換が介入の高い割合を占めています。 「火力発電所と熱回収システム」の費用対効果は、生産ラインへの介入の費用対効果と一致していますが、最後の領域の回収時間 (PBT) は大幅に短くなります。 圧力システムへの介入は費用対効果指標の最良の値を示しますが、PBT については生産ラインへの介入が最良の値を示します (表 9)。

表 7. 提案された技術的介入によって評価されたエネルギー節約。 年間の合計節約量は、熱エネルギー、電気、燃料の節約量の合計として計算されます。

表 8. 提案された介入に対して評価された投資。

表9.各介入領域の回収時間。

提案された技術的介入は、PBT クラスを区別して分析することもできます (図 7 を参照)。 この場合、162 の介入のうち 146 で定量的な情報が報告されています。 1 ～ 2 年間の PBT による提案された介入は、潜在的な年間総節約量の 28% (4.2 ktoe/年) に相当します。 PBT が 3 年から 5 年（2.2 ktoe/年）の介入では、さらに 15% の潜在的な削減効果が得られます。

最後に、図 8 は、潜在的な節約額の半分 (6.8 ktoe/年) が、3 年未満の PBT による介入を採用し、提案された介入に関連する総投資の 12% (約 440 万ユーロ) を動員することによって達成できることを示しています。 これは、比較的安価な介入が高い節約の可能性と関連しているという事実を強調しており、既存のインセンティブメカニズムが PBT の計算に含まれていないことを考慮すると、このような傾向はさらに重要であるように見えます。

図 4 に示すように、ガラス製造プロセスにはエネルギー効率を向上させるための数多くの可能な介入があり、主に補助システムや溶融、精製、仕上げのプロセス段階における技術に関連しています。 補助システムに関する限り、EA によって発見された解決策のほとんどは将来の介入に関連しています (132)。 さらに、これらのソリューションのほとんどは圧力システムとエンジンに言及しています。 どちらの介入目的についても、提案されている改善案は主に、より効率的なシステムを備えた機械の改良に取り組んでいます。

実際、提案されている圧力システムへの介入を実施するために必要な平均投資は比較的低額です (約 45,000 ユーロ)。 その代わり、エンジンへの介入に対する平均投資は約 65,000 ユーロです。 すでに強調したように、費用対効果の観点からは、圧力システムがインジケーターの最高の値を持っています。 異なる PBT クラスにおけるこれら 2 つの領域のシェア (図 6 を参照) を見ると、PBT クラスが増加すると圧力システムのシェアが減少し、この領域が投資収益率が比較的短いという特徴があることがわかります。 それとは異なり、エンジンに関連する介入領域は、2 年から 3 年目と 3 年から 5 年目の PBT クラスで最も高いシェアを占めています。

要約すると、圧力システムは最も即時的な利益に関連しているように見えますが、エンジンへの介入は経済指標を考慮すると興味深いものですが、生産プロセスにおける関連デバイスの重要な役割により計画される可能性が高くなります。 一方、プロセス段階に関する限り、最も多くの介入が実施されるのは溶融と精製である(72)。 実際、この段階にはエネルギー集約型のプラント資産が大きく関係しており、溶融段階全体を通じて非常に高い温度に到達して維持する必要があります。 精製プロセス段階では、ほとんどの介入が炉と熱回収システムで実行されます。 特に炉に関しては、報告されている介入のほとんどが機械の改修や壁の隔離に関するものです。 生産ラインのグループ分類における実施された介入と提案された介入はいずれも、他の分野の介入と比較した場合、比較的多額の投資が行われるという特徴があります。

さらに、投資に関しては、熱回収システムが 2 番目に高い相対投資額を特徴とする分野です (表 8 を参照)。 生産ラインにおける介入のほとんどは、最初の 2 つの PBT クラスにあります。 対照的に、熱回収システムは 2 つの中央クラスに集中しており、PBT の期間は 3 ～ 5 年と 5 ～ 10 年です。代わりに、仕上げ段階では、今後数年間に注目される介入のほとんどが行われます (80)。 これらの介入の 4 分の 1 は圧力システムを目的としており、その大部分は圧縮空気の損失を削減することを目的としています。 すでに強調したように、圧力システムは、平均投資、費用対効果、PBT など、提案された介入のすべての経済指標と比較して、非常に興味深い介入分野です。

最後に、文献に記載されているエネルギー効率化技術の一部が、イタリア企業 103 社によって実際には考慮されていないことを報告しなければなりません。 最初の正当化は、ソリューションの技術進歩の状態によるものであり、初期段階または衰退段階にある可能性があります。 初期段階のテクノロジーは出現していると考えられます。 したがって、それらのアプリケーションの実際の利点はまだ完全には明らかではありません。 一方で、最終段階のテクノロジーは時代遅れとみなされます。 したがって、他のソリューションに比べて効率が低く、より高価な介入となります。 最後に、特定のテクノロジーを適用しないことを正当化するもう 1 つの考えられる理由は、破壊的な変更を定義することによる生産プロセスの大きな変更であることが判明しました。

企業のエネルギー効率の改善は、経済的影響 (短期的に認識) と環境への影響 (中長期的に認識) の両方の観点からますます重要になっています。 これに関連して、いくつかの産業部門がエネルギーパフォーマンスの向上に関与し、関心を持っています。 これまでの研究では、鋳物工場 [9] やセメント [8] 業界など、さまざまな部門に対する省エネの指標が提案されてきました。 部門の中でも、ガラス製造は非常にエネルギー集約的であり、世界中で年間約 45,000 TJ を消費しています。 ガラス業界への技術介入はまだ調査されていない。 このため、エネルギー効率の高い技術ソリューションの詳細な分析が行われました。 技術的な省エネ機会の最新リストが提供され、プロセス段階と関係する資産の両方に応じて分類されました。 分析により、最先端技術の基礎として文献内のすべての解決策の証拠が示されます。 これらの解決策は、イタリア全土に分布する 103 のガラス生産拠点の EA によって強調された介入のすべてによって補完されました。

前述したように、EA は、省エネ ソリューションへの将来の投資の可能性を分析するために必要な体系的な文書です。 エネルギー分析は、イタリア企業が実施および提案した介入の統計結果を、プロセス段階、プロセス機械、生産される最終製品の種類ごとに分けて提供します。 さらに、EA の経済データから、特定のテクノロジーの適用と適用可能性に関する金銭的関係が特定されました。 エネルギーと経済の分析では、工場の照明と暖房のソリューション、品質管理と製品パッケージの下流プロセス、センサーの設置のソリューションは考慮されていませんでした。 対照的に、エネルギー効率を無視できない補助システムのソリューションが検討されました。 統計的および経済的分析の結果が、持続可能性を向上させようとする企業にとっての指針となる可能性があることを強調することは重要です。 ただし、最適なソリューションの選択は、企業固有の戦略的決定に依存します。

EA の結果は、ほとんどの解決策が、実施された介入ではなく、提案された介入に関係していることを示しています。 これらの中で、補助システムは、圧力システムとエンジンの改善と改良のために最も頻繁に検討されます。 その代わりに、生産プロセスの観点から見ると、ガラス製造プロセスの 4 つの特定された段階の中で、溶融、精製、および仕上げが特に興味深い段階です。 特に、溶融および精製段階では、実施される介入のほとんどは炉と熱回収システムに関連しています。 一方、仕上げ段階では、提案されたソリューションのほとんどは、圧力システム、熱回収システム、エンジンへの介入を扱います。 対照的に、融合の準備とコンディショニングの段階、または成形の段階では、多くの解決策は見つかりませんでした。

最終製品の観点から見ると、イタリアは中空ガラスとグレージングシステムの製造に特に関心を示しており、これに関して提案および実施された介入が最も多く報告されている。 ただし、使用する生産拠点の数で比較すると、ガラス管などの製品の種類によって高い値が得られます。 したがって、これらの製品はイタリアではあまり人気のないタイプの製品ですが、平均して企業が最も多くのソリューションを導入および提案している製品であり、非常に興味深いものであると考えられます。

経済的およびエネルギー的な観点から、EA にリストされている実施された介入の分析により、達成された節約に関する興味深い値が示されています。 最終的なエネルギー節約量は、コージェネレーション/トリジェネレーションおよび再生可能資源からの生産を除いた、いくつかの技術的、技術的管理的、および管理的介入領域を考慮して計算できます。 義務を負った企業によるEAに記載されている介入は、ガラス部門における最終エネルギー消費量の0.7%に相当する最終エネルギーの節約を達成することに関連している。 EA の範囲は、サイトレベルでのエネルギー消費構造を記述し、エネルギーパフォーマンス指標を特定し、それらを文献のものと比較することです。 さらに、EA は最も効果的な省エネの機会を特定することを目指します。 EA で特定された解決策が実装されれば、ガラス部門の最終エネルギー消費量の 0.9% に相当する最終エネルギー節約につながることになります。

この記事では、生産プロセス、補助システム、熱回収システムに関連する技術分野に関連する特定の介入グループに焦点を当てました。 ただし、この焦点は研究の限界であると見なすことができるため、将来の研究ではガラス製造装置以外の他の種類の改善にも取り組むことができます。 興味深い省エネの機会は、投資、費用対効果、PBT の点で異なりますが、あらゆる分野に存在します。 生産プロセスで使用される技術、および現場レベルでの経済的特性は、介入の特定と選択に影響を与える可能性が非常に高くなります。 現在、エネルギー価格の高騰は、PBT を下げる全般的な影響を与える可能性がありますが、新たな投資プロジェクトを採用する同社の意欲と能力にもマイナスの影響を与える可能性があります。

この研究では、実務者と研究者の両方にとって最大の貢献となる 2 つの目的が達成されました。 1 つ目は、ガラス生産工場向けの技術的省エネ機会の最新リストを提供することでした。 2 番目の目的は、イタリアの現状と将来の展望をマッピングすることです。 今後の展開としては、他国のガラス会社の現在および技術的状況を分析し、一般的な慣行を比較し、特定の選択の背後にある動機を浮き彫りにすることが考えられます。

さらに、どのソリューションが実際に実装されているか、技術の進歩や国際規制に従って他のどのソリューションが提案されているかを定期的にチェックすることは興味深いことです。 さらに、将来的に考えられるもう 1 つの展開は、イタリアにある他の高エネルギー消費生産部門の分析である可能性があります。 最後に、この作業は、全体的に最適なソリューションがどれであるかを証明するものではなく、各企業のニーズ/制約に強く関係していることを言及しておきます。 実際、企業は異なる側面 (経済、環境など) に異なる優先順位を付ける可能性があります。 したがって、将来の研究開発の可能性としては、多基準意思決定 (MCDM) モデルを活用して、特定の状況で採用する最適なソリューションを定義することが考えられます。

概念化、AC、LL、SF、FDC。 方法論、AC、LL、SF、FDC。 ソフトウェア、CM、MS、FM、AC、LL。 検証、AC、LL、SF、FDC、FM、MS、CM。 形式分析、AC、LL、SF、CM。 調査、AC、LL、SF、CM。 リソース、CM および MS。 データキュレーション、AC、LL、SF、CM。 執筆—原案準備、SF。 執筆 - レビューと編集、AC、LL、FDC、CM、FM、MS。 視覚化、SF。 監督、FDC; プロジェクト管理、FDC、FM、MS。 資金調達、MS および FM すべての著者が原稿の出版版を読み、同意しました。

この研究は、イタリア経済開発省とENEA、CNR、RSE SpAとの間のプログラム協定に基づいて実施された電気システム研究(PTR 2019–2021)の一部です。

適用できない。

適用できない。

データは記事内に含まれます。

著者らは、イタリアガラス製造業者協会から提供された技術サポートに感謝の意を表します。

著者は利益相反がないことを宣言します。