Przemysł ceramiczny odpowiada za emisję znacznych ilości gazów cieplarnianych do atmosfery. W celu zmniejszenia dużego śladu węglowego tego sektora, zespół finansowanych przez UE badaczy i programistów wykorzystał symulację, technologię i testy, aby na ich podstawie opracować bardziej efektywny energetycznie piec do wypalania ceramiki. Dzięki temu powstał nowoczesny, niskoemisyjny piec, który zużywa mniej energii i oferuje niższe koszty operacyjne.


© malp #204874730, source:inventory.adobe.com 2020

Przemysł ceramiczny odgrywa ważną rolę w gospodarce Unii Europejskiej – działa w nim blisko seventeen 000 firm zatrudniających przeszło 240 000 pracowników, generując przy tym około 30 miliardów euro przychodów. Nie da się jednak ukryć, że przemysł 10 odpowiada za zużycie olbrzymich ilości energii – wytworzenie zaledwie jednej tony płytek ceramicznych wymaga wykorzystania one,67 MWh energii elektrycznej.

Większość tej energii (55 %) jest wykorzystywana w procesie wypalania, podczas którego glina i pokrywające ją szkliwa są rozgrzewane do bardzo wysokich temperatur. W przeważającej liczbie przypadków do ogrzewania wykorzystywany jest gaz ziemny, czyli paliwo kopalne. W praktyce oznacza to, że proces 10 jest źródłem emisji znacznych ilości gazów cieplarnianych. Ze względu na to, że emisje te są objęte wieloma przepisami i regulacjami, nikogo nie powinien dziwić fakt, że to właśnie przemysł ceramiczny posiada najwięcej instalacji w ramach unijnego systemu handlu emisjami (ETS).

Kluczem do zmniejszenia śladu węglowego tej branży jest opracowanie bardziej efektywnego energetycznie pieca – właśnie tego dokonał zespół finansowanego przez UE projektu Desire.

„W ramach projektu Desire opracowaliśmy, zbudowaliśmy i przetestowaliśmy radykalnie ulepszoną architekturę ceramicznych pieców przemysłowych, zapoczątkowując tym samym ruch ukierunkowany na zmianę paradygmatu rozwoju pieców – dzięki nam stanie się bardziej zrównoważony”, twierdzi Gabriele Frignani, koordynator projektu Desire oraz dyrektor działu badań stosowanych w spółce Sacmi, włoskim międzynarodowym koncernie ceramicznym. „Dzięki naszym pracom powstał nowoczesny, niskoemisyjny piec, który zużywa mniej energii i oferuje niższe koszty operacyjne”.

Testowanie dzięki technologii

W dotychczasowych rozwiązaniach zakłady przemysłowe zmniejszały emisje szkodliwych zanieczyszczeń poprzez instalowanie filtrów workowych w kominie wylotowym pieców. Pomimo tego, że ich montaż pozwala na utrzymywanie poziomów emisji nieco poniżej wartości granicznej określonej w regulacjach, nie zatrzymuje w żaden sposób zanieczyszczeń takich jak tlenki azotu i siarki przed przedostawaniem się do atmosfery. Ta duża wada tego rozwiązania, a także trwające działania ukierunkowane na obniżenie dopuszczalnych limitów emisji sprawiły, że konieczne stało się znalezienie lepszego sposobu na ograniczenie emisji.

Żeby sprostać temu wyzwaniu, uczestnicy projektu Desire postanowili wykorzystać osiągnięcia technologii. W tym celu zespół opracował oparty na oprogramowaniu model symulacyjny, oferujący możliwości analizy wszystkich procesów termicznych zachodzących wewnątrz pieca ceramicznego, w tym podgrzewania wstępnego, wypalania i chłodzenia, a następnie przeprowadził testy swojego rozwiązania. Wykorzystanie tego systemu pozwoliło im nie tylko szybko wskazać obszary charakteryzujące się najniższą efektywnością energetyczną, lecz również przetestować wiele różnych rozwiązań i modyfikacji w środowisku cyfrowym.

„Przeprowadzanie symulacji w fazie rozwojowej to oszczędność czasu i kosztów – dzięki nim jesteśmy w stanie szybko dostrzec, które rozwiązania są obiecujące, a które prawdopodobnie okażą się ślepym zaułkiem”, wyjaśnia Frignani. „Tego rodzaju podejście jest szczególnie ważne w przypadku projektów badawczych, które wymagają opracowania dokładnych planów działania ze względu na ograniczenia czasowe i budżetowe”.

Przeprowadzenie testów i symulacji pozwoliło zespołowi między innymi ustalić, że zastąpienie dużych turbin mikroturbinami instalowanymi na całej długości linii produkcyjnej umożliwi wytwarzanie energii elektrycznej na potrzeby poszczególnych maszyn, co przekłada się na zmniejszenie zużycia oraz strat energii, a także skraca czas potrzebny do przywrócenia warunków termicznych w przypadku wyłączenia prądu elektrycznego, jednocześnie zmniejszając ślad węglowy pieca.

Nowy, lepszy piec

Pomimo wielu zalet, wykorzystywanie narzędzi symulacyjnych wiąże się również z szeregiem ograniczeń. Istniejące narzędzia nie pozwalają na przykład przewidzieć, czy zmiany w procesie wypalania będą miały negatywny wpływ na sam materiał. Aby wypełnić tę lukę, zespół skupiony wokół projektu przeprowadził testy przemysłowe, przenosząc usprawnienia opracowane w świecie wirtualnym na prawdziwy piec produkcyjny.

„Przeprowadzone testy wykazały, że dzięki opracowanemu przez nasz zespół oprogramowaniu producenci ceramiki mogą monitorować proces w czasie rzeczywistym, co pozwala na wprowadzanie na bieżąco zmian mających na celu usprawnienie jego poszczególnych etapów”, wyjaśnia Frignani. „Kolejnym osiągnięciem jest zbudowanie pieca, który umożliwia zwiększenie wydajności produkcji przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii i emisji szkodliwych zanieczyszczeń”.

Jak zauważa Frignani, ze względu na czas i nakłady inwestycyjne, finansowanie tego rodzaju projektów badawczo-rozwojowych staje się niemal niemożliwe dla indywidualnych przedsiębiorstw, zwłaszcza w najbardziej konkurencyjnych sektorach, do których należy przemysł ceramiczny. „Projekty badawcze takie jak Desire będą odgrywały coraz ważniejszą rolę w rozwoju technologii i know-how, dzięki którym będą mogły powstawać ekologiczne rozwiązania przyszłości”, podsumowuje.