Améliorations technologiques de l'efficacité énergétique dans le verre

Date : 21 février 2023

Auteurs : Alessandra Cantini, Leonardo Leoni, Saverio Ferraro, Filippo De Carlo, Chiara Martini, Fabrizio Martini et Marcello Salvio

Source:Processus 2022, 10(12), 2653

EST CE QUE JE:https://doi.org/10.3390/pr10122653

(Cet article appartient au numéro spécial Technologies pour les systèmes énergétiques climatiquement neutres)

L'industrie du verre est très énergivore, consommant environ 500 à 700 millions de GJ chaque année. Le remplacement d'équipements inefficaces par des équipements plus performants est une bonne stratégie pour réduire la consommation énergétique d'une usine de verre. Comme il existe de nombreuses solutions alternatives, le choix de l'amélioration technologique à mettre en œuvre est généralement difficile. Par conséquent, un examen des solutions pour réduire la consommation d'énergie dans une usine de verre est essentiel. La littérature propose des études similaires, mais elles ne sont pas suffisamment à jour et ne représentent pas l'état actuel de l'art, qui devrait être mis à jour. Ainsi, cet article vise à fournir une liste actualisée de solutions alternatives, en les regroupant en différentes catégories (par exemple, l'étape du processus).

De plus, cet article étudie l'applicabilité actuelle des solutions d'économie d'énergie en Italie. Plus précisément, un échantillon de 103 entreprises italiennes est considéré et le type d'interventions que les entreprises ont récemment mises en œuvre ou qu'elles ont l'intention d'adopter est analysé. Des analyses statistiques et économiques quantitatives ont été menées pour mettre en évidence les solutions les plus populaires et déterminer leur rentabilité. Les résultats montrent que la plupart des interventions consistent à remplacer les machines par des machines plus efficaces, principalement dans les systèmes auxiliaires (132 sur 426). Le résultat de cet article pourrait constituer un guide pour sélectionner des solutions d'économie d'énergie.

Le processus de production dans les usines de fabrication de verre est généralement énergivore et nécessite de grandes quantités de ressources. Il a été estimé que le processus de fabrication du verre consomme environ 5÷÷7 GJ par tonne de verre produit [1], et la production mondiale de verre est d'environ 100 millions de tonnes/an [2]. Dans le monde, les produits verriers sont fabriqués par 1141 entreprises et groupes dans 91 pays, avec une capacité totale quotidienne de plus de 500 tonnes/jour (https://plants.glassglobal.com/login/ (consulté le 27 mai 2021)) [3]. En Italie, la production de verre s'élève à environ 6 millions de tonnes/an, avec environ 2,7 Mt de CO2 produites et une consommation de 970 millions Sm3/an de gaz naturel (environ 1 % de la consommation nationale de gaz naturel) [4].

Compte tenu de l'impact significatif que l'industrie manufacturière a sur la durabilité écologique mondiale et compte tenu de la pression économique croissante introduite par un marché concurrentiel et de la réduction des ressources énergétiques disponibles, il est devenu une préoccupation majeure d'optimiser l'efficacité énergétique des systèmes de production [5,6]. Dans cette optique, pour réduire la consommation d'énergie dans le secteur du verre, il est possible d'agir à la fois sur le plan technologique et managérial. En se concentrant sur les aspects technologiques, l'une des stratégies à poursuivre est d'améliorer les usines de production en modifiant ou en remplaçant les équipements inefficaces par des équipements plus performants et moins énergivores [7]. Les interventions peuvent tenir compte à la fois des actifs composant le processus de production pour la production de verre ainsi que des systèmes auxiliaires (par exemple, moteurs, compresseurs). D'autres secteurs proposent des analyses d'interventions technologiques pour l'efficacité énergétique des procédés de fabrication, comme l'industrie du ciment [8] et l'industrie des fonderies [9].

Le processus de production de verre peut être décomposé en quatre macro-phases, telles que (i) la préparation de la fusion, (ii) la fusion et l'affinage, (iii) le conditionnement et le moulage, et (iv) la finition (voir Figure 1).

Selon la figure 1, le processus de production commence par la préparation de la fusion, qui commence après l'approvisionnement en matières premières. La principale matière première utilisée pour produire le verre est le sable (70 à 72 %), principalement sous forme de silice, qui agit comme un agent vitrifiant dans le processus chimique. Divers composants sont ajoutés au sable, dont un fondant (carbonate de soude, 14 %), un stabilisant (calcaire, 10 %), des oxydes pour déterminer les caractéristiques physico-chimiques et souvent des débris de verre (calcin). Après avoir obtenu les matières premières, lors de la préparation de la fusion, elles sont pesées, broyées et mélangées dans la bonne quantité pour obtenir les propriétés requises par le produit final. Vient ensuite la phase de fusion et de raffinage, au cours de laquelle les matériaux sont progressivement chauffés jusqu'à environ 1500 degrés Celsius. Dans un premier temps, une partie de l'eau est éliminée, et une phase d'oxydation est réalisée pour permettre la dissociation des carbonates et des sulfates. Le mélange est ensuite chauffé dans un four jusqu'à ce que la masse de verre fonde, facilitée par l'ajout de substances fondantes.

Ce composé est ensuite traité par des procédés de raffinage et de décoloration/coloration selon les exigences du marché. Le processus d'affinage élimine la présence d'éventuelles bulles de gaz au moyen d'agents d'affinage, tandis que la décoloration est effectuée à l'aide d'oxydes. La phase de fusion est la plus énergivore, et cela est principalement attribuable au four de fusion qui chauffe le verre par combustion, contact d'électrode ou méthodes mixtes [10]. Ensuite, lors de la phase de conditionnement et de moulage, le processus de fabrication du verre est distingué en fonction du produit final à obtenir, qui peut être classé en quatre types différents : verre plat, verre d'emballage, verre spécial et fibre de verre [11]. Le verre plat est généralement utilisé dans les secteurs de la construction et de l'automobile (par exemple, les feuilles et le verre flotté pour la construction résidentielle et commerciale, les applications automobiles, les comptoirs et les miroirs).

Le verre d'emballage peut quant à lui être classé en verre creux et en verre blanc de qualité pour les secteurs agro-alimentaire, parfumerie et pharmaceutique respectivement. Les produits verriers spéciaux appartiennent au secteur domestique (par exemple, verre pressé et soufflé pour la vaisselle, les ustensiles de cuisine, l'éclairage, les téléviseurs, les écrans à cristaux liquides, les équipements de laboratoire et les communications optiques). Enfin, les fibres de verre peuvent être classées en laine de verre pour l'isolation ou en fibres textiles/de renfort. A ce stade, les actifs du processus changent en fonction du produit. En général, la masse de verre fondue, affinée et refroidie, après avoir reposé, quitte le four par des canaux, entrant dans des systèmes d'écoulement appelés "avant-foyers" qui transportent le verre fondu vers les machines de formage. Après avoir traversé les canaux et terminé le conditionnement, le verre entre dans les machines de formage, où il prend sa forme définitive [11]. Enfin, la phase de finition détermine les caractéristiques de surface requises pour le produit final.

Pour améliorer l'efficacité énergétique de l'usine de fabrication de verre, pour chaque opération du processus de production, une grande variété de solutions technologiques ont été développées. Les documents de référence sur les meilleures techniques disponibles (BREF) liés à la fabrication du verre sont le document de référence à utiliser dans le secteur du verre pour améliorer l'efficacité énergétique [12]. L'Union européenne a créé les BREF en tant que publications servant de lignes directrices pour améliorer l'efficacité énergétique. En plus des BREF, d'autres solutions peuvent être trouvées dans la littérature pour l'efficacité énergétique applicable aux actifs technologiques. Par exemple, dans la phase de préparation de la fusion, les solutions concernent les balances pour la pesée informatisée des composants [12], les systèmes de convoyage de la matière première pour le préchauffage de la charge et du calcin [11,12,13], et les broyeurs pour améliorer l'efficacité énergétique [14] et pour broyer et mélanger simultanément [15].

Dans la phase de fusion et d'affinage, les solutions d'économie d'énergie concernent principalement les fours de fusion, les brûleurs et les électrodes. Les travaux de Bauer et al. [16] propose l'installation de systèmes thermovoltaïques sur les parois des machines pour récupérer la chaleur dissipée. Dans la phase de conditionnement et de moulage, les solutions concernent les machines de moulage et les hauts fourneaux, certaines solutions portant sur leur remplacement par des modèles oxy-combustible ou à chauffage électrique [11]. Enfin, pour la phase de finition, les solutions concernent les machines, comme les fours pour réduire les pertes ou l'installation de types plus performants [11]. Les solutions largement proposées concernent l'amélioration des machines par le revamping, notamment pour les actifs technologiques très énergivores ou à fortes pertes d'énergie, tels que les fours de fusion, les brûleurs et les hauts fourneaux [11].

Cependant, la multitude d'alternatives offertes sur le marché entrave le choix de l'intervention d'amélioration technologique à adopter. Le résultat est que les entreprises intéressées par une transition écologique sont désorientées et incapables de choisir la meilleure technologie de production dans laquelle investir. Pour ces raisons, dans la littérature scientifique, des efforts ont déjà été faits pour développer une revue des principales technologies permettant de surmonter les problèmes énergétiques et de minimiser la consommation d'énergie [12,17,18]. Cependant, cette littérature n'est pas suffisamment à jour et ne tient pas compte des développements technologiques réalisés au cours de la dernière décennie. De plus, bien que les solutions proposées soient divisées en fonction de la phase de processus à laquelle elles se réfèrent (préparation de la fusion, fusion et affinage, conditionnement et moulage, et finition), il n'existe pas de classification synthétique qui résume les alternatives disponibles, en les divisant également en fonction de l'actif spécifique sur lequel elles agissent. Enfin, il manque des preuves réelles de l'applicabilité actuelle de ces solutions dans des contextes commerciaux réels.

Pour combler cette lacune, le présent travail poursuit deux objectifs. Le premier objectif est de fournir une liste actualisée des opportunités technologiques d'économie d'énergie pour les usines de production de verre, en les divisant en fonction des phases du processus et de l'actif concerné. Le deuxième objectif est de cartographier la situation italienne actuelle et les perspectives d'avenir. À cette fin, un échantillon d'entreprises a été analysé, tirant des considérations statistiques sur les actions d'économie d'énergie récemment mises en œuvre et les solutions sur les actifs technologiques proposées pour les prochaines années. Les informations nécessaires à la présente étude ont été tirées des évaluations énergétiques (EE) de 103 installations de fabrication de verre différentes en Italie, qui ont été réalisées par des entreprises de l'industrie du verre pour se conformer à l'article 8 du décret législatif 102/2014, la mise en œuvre italienne de la directive sur l'efficacité énergétique (EED) 2012/27/UE.

Toutes les informations fournies dans le présent document pourraient être utiles aux entreprises du secteur du verre qui recherchent un guide pour améliorer leur consommation d'énergie et leur durabilité. Centré sur les opportunités technologiques, cet article ne fait référence qu'aux solutions concernant les équipements de production verrière. La discussion exclut les solutions concernant l'éclairage ou le chauffage du hangar industriel où se trouve l'usine [19] ; des solutions concernant les activités de contrôle qualité, de maintenance et de conditionnement des produits (qui sont en aval du processus de production) [12,20] ; et des solutions concernant l'installation de capteurs qui, bien qu'étant des technologies, sont généralement utilisées avec des logiciels et des systèmes informatiques pour mettre en œuvre des solutions de gestion (contrôle et optimisation des processus) [21]. Au contraire, des solutions liées aux systèmes auxiliaires ont été prises en compte, étant non négligeables pour l'efficacité énergétique du procédé de fabrication du verre.

Le reste du présent document est le suivant : la section 2 décrit l'approche suivie pour atteindre les objectifs. Dans la section 3, en appliquant la méthodologie proposée, une liste mise à jour des technologies disponibles est proposée et une analyse du scénario italien est présentée. La section 4 présente une discussion des résultats. Enfin, la section 5 rapporte les conclusions.

Le Parlement européen et le Conseil ont publié la directive sur l'efficacité énergétique (DEE) en octobre 2012 avec l'objectif d'atteindre une réduction de 20 % de la consommation d'énergie avant 2020 [22]. Pour garantir l'atteinte des objectifs européens et ouvrir la voie à de nouvelles avancées en matière d'efficacité énergétique (EE) après 2020, l'EED développe un cadre commun de mesures pour la promotion de l'EE. L'article 8 du cadre établi oblige les entreprises impactées à créer des audits énergétiques (EA). Une EE est un document systématique qui est nécessaire pour analyser les futurs investissements potentiels dans les technologies d'économie d'énergie [8] ; la collecte est obligatoire et demandée tous les quatre ans auprès des grands organismes et/ou énergivores. Plus précisément, chaque évaluation environnementale comprend des détails précis sur l'emplacement de l'installation, certaines caractéristiques générales de l'entreprise, le type de processus de fabrication et le type de produits finis.

Le gouvernement italien a mis en œuvre la DEE en 2014 (en adoptant le décret législatif n° 102/2014, qui a été mis à jour le plus récemment par le décret législatif n° 73/2020), élargissant l'obligation d'inclure une catégorie particulière d'entreprises à forte intensité énergétique. En Italie, l'exigence d'EE s'applique à la fois aux grandes entreprises et aux entreprises à forte intensité énergétique, qui sont celles qui utilisent plus de 1 GWh d'électricité et bénéficient d'allégements fiscaux sur leurs factures d'électricité. Ces entreprises sont incluses dans les bases de données du Fonds pour les services énergétiques environnementaux (CSEA). En Italie, la gestion et la mise en œuvre des domaines-cadres du DEE sont confiées à l'Agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, l'énergie et le développement économique durable (ENEA) en charge de rassembler les EE. À cette fin, le portail Web Audit102 est utilisé (https://audit102.enea.it/ (accessible le 26 octobre 2022)) et des bases de données à la fois sur la consommation et les interventions au niveau du site sont mises à la disposition de l'ENEA.

Aux fins de ce travail, les données les plus pertinentes sont celles liées aux interventions que les entreprises italiennes ont réalisées entre 2015 et 2019 et celles qu'elles ont identifiées dans les EA à envisager pour la mise en œuvre entre 2019 et 2022. Ces données ont été analysées à la fois pour mettre à jour la liste des solutions d'économie d'énergie avec de nouvelles solutions des EA et pour confirmer celles déjà disponibles dans la littérature. En rassemblant des informations sur les technologies de production mises en œuvre et prévues, il sera possible d'indiquer comment le secteur du verre va évoluer dans les années à venir.

Une méthodologie en trois étapes a été suivie pour fournir une liste actualisée des opportunités technologiques d'économie d'énergie dans 103 usines de fabrication de verre et pour déterminer quelles interventions sont actuellement les plus envisagées en Italie. Les données acquises ont été saisies dans une base de données de tableur et utilisées pour augmenter le nombre de solutions techniques (voir Tableau A1, Tableau A2, Tableau A3, Tableau A4 et Tableau A5 dans l'Annexe A, polices italiques).

2.1. Recherche d'opportunités technologiques d'économie d'énergie

La littérature scientifique a été consultée pour rechercher des opportunités technologiques permettant de réduire la consommation d'énergie dans une usine de production de verre. En explorant les bases de données en ligne Google Scholar et Scopus et en saisissant des mots clés, tels que "opportunités énergétiques dans la fabrication du verre", "technologies du verre" et "économie d'énergie dans l'usine de verre", 40 articles d'intérêt ont été identifiés. Les résultats de cette étude ont permis de créer une liste de solutions technologiques économes en énergie, en associant chaque alternative de la liste à la source bibliographique consultée pour l'identifier (Tableau A1, Tableau A2, Tableau A3, Tableau A4 et Tableau A5 en Annexe A). Les solutions technologiques trouvées ont été subdivisées selon la phase du processus et les machines sur lesquelles elles agissaient.

Pour valider le contenu des Tableau A1, Tableau A2, Tableau A3, Tableau A4 et Tableau A5, un échantillon de 103 entreprises italiennes a été analysé. Ces entreprises étaient situées en Italie, comme le montre la figure 2, caractérisées par les processus de production décrits dans la figure 1. Les entreprises ont reçu un questionnaire structuré dans lequel on leur a demandé de répondre à deux questions ouvertes. Premièrement, quelles solutions technologiques d'économie d'énergie ont-ils mises en œuvre au cours des 4 dernières années. Deuxièmement, quelles solutions ont-ils l'intention de mettre en œuvre dans les prochaines années. Le résultat du questionnaire a été utile pour élargir la liste des solutions technologiques, en ajoutant à la littérature les opportunités créées par la consultation d'industriels expérimentés.

La liste des solutions technologiques divisées par phase de processus, machine de production et type de produit final fournit aux entreprises un outil synthétique pour améliorer leur durabilité. En fait, une entreprise générique souhaitant réduire la consommation d'énergie dans une zone/machine spécifique de l'usine peut consulter le présent document pour identifier rapidement les alternatives disponibles.

2.2. Aperçu de la situation italienne actuelle

Les résultats des questionnaires ont été analysés pour voir quelles solutions technologiques ont été mises en œuvre en Italie au cours des 4 dernières années et lesquelles ont été proposées comme actions futures. En calculant la fréquence de sélection de chaque solution, des informations statistiques ont été recueillies. En particulier, le degré d'application des différentes solutions technologiques dans le contexte italien a été estimé, définissant le nombre et le type d'interventions réalisées au cours des dernières années. D'autre part, une idée des perspectives de développement futur des technologies en Italie est obtenue en considérant le nombre et le type d'interventions proposées. Les informations suivantes ont été analysées pour chaque EA dans le secteur du verre :

Comme indiqué dans les équations (1) et (2), le calcul des fréquences fa,i et fs,i est obtenu à partir du rapport entre le nombre d'observations et le nombre total d'observations. Dans ce cas, le nombre total d'observations est égal à la dimension de l'échantillon (SD, qui est de 103 entreprises). La figure 2 montre une représentation schématique.

Il est important de se rappeler que, dans le processus de production du verre, certaines solutions peuvent avoir une applicabilité limitée. En effet, même si les macro-phases du processus sont les mêmes pour chaque type de produit (voir Figure 1), en raison de la variabilité et du secteur d'utilisation finale, les atouts technologiques sont différents. Par exemple, les produits en verre plat effectuent des opérations de formage en continu par laminage ou étirage. Les produits en verre d'emballage, en revanche, nécessitent un pressage, un soufflage ou un moulage dans des moules spéciaux. De plus, il peut y avoir des produits pour lesquels seule une transformation secondaire est requise, et toutes les organisations n'exécutent pas le cycle de production complet. Pour produire une représentation plus réaliste des tendances liées aux technologies adoptées dans les chantiers verriers, des données statistiques sur la fréquence des interventions appliquées et proposées ont été calculées à partir des équations (3) et (4) :

où reference_SD indique l'échantillon secondaire de sites envisageant de telles interventions. Les nouvelles valeurs de fréquence peuvent fournir une estimation de l'état actuel et futur des technologies les plus pertinentes dans l'industrie verrière italienne.

2.3. Analyse économique quantitative des interventions d'économie d'énergie regroupées

Les évaluations environnementales collectées dans la base de données Audit102 comprenaient généralement des données quantitatives relatives aux interventions mises en œuvre et identifiées. Une approche standardisée a été développée pour analyser les informations sur les solutions d'économie d'énergie, en attribuant la zone d'intervention en calculant les économies totales en tonnes d'équivalent pétrole (tep), et en calculant les indicateurs et les statistiques du secteur du verre. Initialement, les interventions dans la base de données Audit102 étaient affectées à plus de 300 domaines, alors qu'elles sont actuellement affectées à 17 domaines d'intervention. Ensuite, les résultats sont décrits, en les classant en catégories d'intervention, qui peuvent être techniques (par exemple, «systèmes sous pression» et «systèmes de centrales thermiques et de récupération de chaleur») ou managériales, telles que l'introduction ou l'amélioration d'un système de surveillance et l'adoption de la certification ISO 50001 ou des cours de formation.

Des chiffres concernant différents types d'économies d'énergie sont fournis, à savoir les économies d'électricité, d'énergie thermique, de carburants de transport (le cas échéant) et d'autres économies. Les autres économies font référence à un mélange d'économies électriques et thermiques pour lesquelles la désagrégation dans les deux composantes n'était pas disponible dans l'audit énergétique, ou aux économies d'autres vecteurs énergétiques. Ces chiffres se réfèrent aux économies réalisées pour les interventions mises en œuvre mais aux économies potentielles pour celles suggérées (futures). Quant aux interventions identifiées, les économies potentielles représentent un seuil maximum, puisque toutes les interventions ne seront pas sélectionnées pour la mise en œuvre, et leur introduction serait différée dans le temps. Pour cette raison, dans l'analyse suivante, ces interventions pourraient également être qualifiées d'« interventions suggérées ».

Les CAPEX sont également couverts par la base de données et, dans le cas des interventions mises en œuvre, d'autres indicateurs économiques sont fournis, tels que le délai de récupération simple, calculé sans incitations. Sur la base des informations de la base de données, les économies d'énergie globales, mesurées en tep, peuvent être calculées et classées en économies d'énergie finale ou primaire, ces dernières se référant aux domaines techniques d'intervention "cogénération et trigénération" et "production à partir de sources d'énergie renouvelables".

À partir des informations sur les CAPEX et les économies d'énergie, un indicateur de rentabilité de l'énergie économisée a été calculé pour chaque intervention, mesuré en euros investis par tep. L'indicateur est estimé pour les EPIA mises en œuvre et identifiées, comme illustré par l'équation (5) :

Le code NACE de l'entreprise et de chaque site permet d'élaborer des analyses sectorielles. Ces données ont été recueillies et analysées afin de déterminer les raisons qui ont poussé les entreprises à adopter telle ou telle solution d'économie d'énergie plutôt que d'autres. Par rapport à la section 2.2, cette phase permet d'analyser les interventions adoptées d'un point de vue économique, en considérant à la fois le coût d'investissement et les économies d'énergie attendues associées à chaque intervention considérée.

En Italie, 103 sites de production de verre ont été identifiés et invités à fournir une EE. La plus forte densité de sites se situe dans la région de Vénétie avec 21 occurrences, suivie de la région de Lombardie avec 20 occurrences (Figure 3). Dans l'échantillon constitutif de 103 sites, les régions du nord de l'Italie (Ligurie, Piémont, Lombardie, Trentin-Haut-Adige, Vénétie, Frioul-Vénétie Julienne, Émilie-Romagne) ont une densité de sites plus élevée avec un total de 69 installations de production de verre. Les régions du centre de l'Italie (Toscane, Marches, Ombrie, Latium) comptent 24 sites de production, tandis que les 10 sites restants sont situés dans le sud de l'Italie (Abruzzes, Campanie, Pouilles, Sicile).

Des 103 EA, il ressort que toutes les entreprises exercent des activités de préparation et de finition des matières premières. Au total, 53 entreprises réalisent l'ensemble du cycle de production (toutes les phases de la figure 1). Le cycle de production fournit six types de produits finis, comme le montre le tableau 1. La plupart des sites de l'échantillon d'analyse produisent du verre creux (49 %), notamment à usage pharmaceutique, alimentaire et domestique, suivi de la production de systèmes de vitrage (40 %). Les autres types de produits sont la fibre de verre (5 %) ; verre flotté (4%); la seconde transformation du verre creux (3%) ; et d'autres produits comme les mosaïques, les carreaux, le verre pour isolants électriques, les hublots (2 %) et les tubes de verre (1 %), respectivement.

Tableau 1. Type de produits finis fabriqués par 103 sites italiens de production de verre.

Enfin, concernant le type de matière première utilisée (voir tableau 2) pour le procédé de fabrication du verre, sur les 103 EA, 50 % des sites utilisent le batch, suivi de l'utilisation du calcin et du verre plat, avec des pourcentages respectifs de 46 % et 37 %. Les tiges de verre (8 %), le verre creux pour la décoration (3 %) et le cristal de verre vierge (1 %) se sont révélés avoir de faibles valeurs d'utilisation.

Tableau 2. Type de matière première.

3.1. Technologies d'économie d'énergie des EA

Les interventions technologiques mises en œuvre et proposées par les organisations italiennes de fabrication de verre ont été obtenues à partir de l'analyse des EA, comme expliqué dans la section 2.1. Le tableau 3 présente la liste des interventions mises en œuvre et proposées (quatrième colonne) triées par processus de production (première colonne). Pour faciliter la compréhension, la colonne deux montre la machine de processus associée à la solution et la colonne trois l'objectif de la solution. Enfin, les colonnes restantes rapportent des informations quantitatives sur le nombre de demandes détectées par les AE et leur fréquence. Le tableau a été compilé en considérant les résultats des interventions proposées dans la littérature scientifique pour l'efficacité énergétique du processus de production de verre. Pour cette raison, les solutions également trouvées dans la littérature dans le tableau 3 (et pas seulement dans les EA) sont rapportées en italique.

Tableau 3. Résultats des évaluations environnementales de la production italienne de verre.

A partir de l'analyse des 103 EE de la filière verre, il est possible d'identifier la pertinence et l'usage de certaines solutions. En fait, les solutions avec des valeurs non nullesfrelevant_a, je les valeurs représentent des solutions d'efficacité énergétique fortement mises en œuvre ces dernières années par les entreprises italiennes. En revanche, les interventions avec des valeurs non nullesfrelevant_s, je les valeurs représentent des solutions non encore mises en œuvre mais qui sont proches de l'achat et de l'application. Il est possible d'affirmer que les solutions à hautefrelevant_a, jeles valeurs représentent des solutions d'efficacité énergétique établies dans l'industrie, tandis que les solutions à hautefrelevant_s, jeles valeurs indiquent des interventions que les entreprises sont fortement intéressées à appliquer pour l'efficacité énergétique et les économies économiques.

Les résultats des 103 EE ont été analysés pour déterminer le nombre d'interventions proposées et réalisées par phase de procédé (Figure 4), par machinerie de procédé (Figure 5) et par type de produit fini (Figure 6).

En ce qui concerne les macro-phases du processus de production du verre (voir Figure 1), les résultats du Tableau 3 montrent un intérêt élevé pour les services auxiliaires, avec 44 interventions mises en œuvre et 132 interventions proposées (voir Figure 4). Parmi les macro-phases, la fusion et le raffinage et les processus de finition sont ceux avec des valeurs d'interventions plus élevées. Le premier voit plus d'interventions mises en œuvre (72) que proposées (43), et vice versa pour la phase de finition, avec 30 interventions mises en œuvre et 80 proposées, respectivement. Les résultats des interventions impliquant les phases de procédé montrent qu'au cours des 4 dernières années, une grande attention a été portée à la fusion et au raffinage, ainsi qu'aux services auxiliaires, en mettant en œuvre des solutions économes en énergie. En revanche, dans les quatre prochaines années, de grands changements seront dirigés vers les services auxiliaires et la phase de finition. Peu de solutions sont mises en évidence dans la phase amont du procédé (préparation de la fusion) et la phase intermédiaire (conditionnement et moulage). Les résultats pourraient être attribués au fait que les entreprises pourraient être plus intéressées par l'amélioration des processus à forte consommation d'énergie tels que la fusion, le raffinage et la finition.

Les données peuvent également être analysées en tenant compte de la machine de traitement de chaque phase (voir Figure 5). Les interventions les plus populaires sont celles pour les fours (56), les systèmes sous pression (32) et les systèmes de récupération de chaleur (26). En effet, les fours s'avèrent être des actifs très énergivores destinés à la fusion et à l'affinage (47 solutions) et à la finition (9 solutions). L'intervention la plus courante pour ces machines concerne le revamping pour assurer une plus grande efficacité [6,11,12]. Comme pour les fours, la plupart des interventions pour les systèmes de récupération de chaleur concernent la phase de fusion et de raffinage (20 solutions), dont l'objectif principal est l'installation de fours régénératifs en fin de vie [11,23]. En revanche, les interventions réalisées pour les systèmes sous pression concernent majoritairement les systèmes auxiliaires (26 solutions). Pour ces actifs, les solutions les plus couramment mises en œuvre concernent le revamping des machines (moteurs, pompes, compresseurs, etc.).

Différents résultats concernent les interventions proposées, dont la majorité concernent les systèmes sous pression (94), les moteurs (55) et les systèmes de récupération de chaleur (45). En ce qui concerne les interventions mises en œuvre, les systèmes sous pression concernent davantage le processus impliquant des systèmes auxiliaires (70 solutions), principalement pour la réduction des pertes d'air comprimé au niveau des joints de tuyauterie et des points sujets à des fuites [11,12,24]. De même, les solutions proposées pour le rendement des moteurs se réfèrent aux systèmes auxiliaires (35 solutions), principalement par l'installation de moteurs à haut rendement (classe IE2, IE3 et IE4), et l'installation d'onduleurs sur les moteurs déjà présents dans le système. Au lieu de cela, les solutions proposées pour les systèmes de récupération de chaleur concernent principalement la phase de fusion et d'affinage (19 solutions) et la phase de finition (16 solutions). Pour la phase de fusion et d'affinage, les interventions les plus proposées concernent l'utilisation d'échangeurs à plaques pour le préchauffage indirect de la vapeur ou du calcin [11], et le remplacement des systèmes de récupération disponibles par d'autres utilisant le méthane ou des fluides organiques comme vecteurs de chaleur (échangeurs de type ORC). Enfin, il faut souligner que les machines peu impliquées dans l'analyse des EE sont l'avant-creuset, les machines de moulage, de finition, les refroidisseurs et les systèmes de transport tant pour les interventions réalisées que pour celles proposées.

Le secteur du verre en Italie produit plusieurs types de produits finis (voir tableau 1). En combinant les résultats de l'analyse des EE (tableau 3) et des familles de produits finis, il est possible de se prononcer sur la pertinence des interventions mises en œuvre et proposées (voir figure 6). La plupart des interventions réalisées concernent des entreprises productrices de verre creux, avec 116 événements détectés. Ce résultat est principalement dû au fait que le verre creux est le type de produit le plus largement transformé par les entreprises italiennes. Cependant, si l'on considère les interventions pondérées par le nombre de sites de production, des valeurs élevées sont atteintes par le tube de verre (4 interventions), le verre flotté (10 interventions), et les autres verres (5 interventions). En effet, les tubes de verre sont produits par une seule entreprise sur le territoire et le verre flotté par quatre entreprises, tandis que les autres produits sont produits par deux entreprises. Le nombre d'interventions pour les vitrages qui, bien qu'étant le deuxième type de produit le plus répandu sur le territoire, n'enregistre que 17 occurrences, ce qui semble peu réfléchi. En ce qui concerne les interventions proposées, celles qui ont le plus grand nombre de solutions incluent le verre creux et les systèmes de vitrage, avec respectivement 134 et 82 solutions. De même, si l'on considère les sites de production, les entreprises traitant d'autres produits sont celles qui prévoient le plus d'interventions (14).

3.2. Analyse économique des EE

En considérant toutes les interventions mises en œuvre et identifiées dans le secteur du verre, les économies d'énergie finale réalisées représentent 0,7 % de la consommation d'énergie finale, tandis que les économies potentielles d'énergie finale constitueraient 0,9 % supplémentaires. Comme expliqué dans la section précédente, à la fois pour les interventions mises en œuvre et identifiées, cet article se concentre sur les solutions technologiques liées aux phases de production, aux systèmes auxiliaires et aux systèmes de récupération de chaleur.

Un total de 40 sites de production rapportant des informations quantitatives sur les interventions mises en œuvre ont été répertoriés dans les évaluations environnementales analysées, et les économies d'énergie finale correspondantes sont présentées dans le tableau 4. Les informations quantitatives sont identifiées en quatre groupes : « systèmes sous pression », « centrales thermiques et systèmes de récupération de chaleur », « moteurs, onduleurs et autres installations électriques » et « lignes et machines de production ». Les lignes de production déterminent les grandes économies d'énergie et les investissements économiques les plus importants (à la fois totaux et en moyenne). Les interventions sur la fournaise électrique ou au fuel sont incluses dans ce domaine, en cohérence avec les solutions technologiques présentées dans le tableau 3, et celles-ci sont largement représentées par le remplacement de la fournaise existante par une plus moderne et performante. Les systèmes sous pression constituent le deuxième domaine, tant en termes d'économies que d'investissement total, tandis que les centrales thermiques et les systèmes de récupération de chaleur constituent le deuxième domaine en termes d'investissement moyen. Les données quantitatives moyennes présentées dans les tableaux 4 et 5 ont été calculées comme une moyenne du nombre de sites de production qui ont communiqué des informations quantitatives.

Tableau 4. Économies d'énergie produites par les interventions technologiques mises en œuvre. Les économies annuelles totales sont calculées comme la somme des économies d'énergie thermique, d'électricité et de carburant.

Tableau 5. Investissements requis pour appliquer les interventions technologiques.

Un indicateur de coût-efficacité a été calculé pour chaque domaine d'intervention, estimé comme indiqué dans le tableau 6. Les informations disponibles ont permis de le calculer pour 27 des 40 interventions collectées quantitativement, rapportant des informations sur les économies d'énergie et les coûts. Le domaine des « systèmes de pression » montre une valeur avantageuse de l'indicateur, confirmant qu'il s'agit d'un type de mesure avec une large applicabilité. Les « moteurs, onduleurs et autres installations électriques », ainsi que les « lignes de production et machines », ont des valeurs moyennes de l'indicateur de rentabilité, tandis que le domaine des « centrales thermiques et systèmes de récupération de chaleur » a la valeur relative la plus faible de l'indicateur.

Tableau 6. Indicateur coût-efficacité pour chaque domaine d'intervention.

Un total de 162 sites de production fournissant des informations quantitatives sur les interventions suggérées ont été identifiés dans les évaluations environnementales examinées. Aux fins de cette analyse, comme déjà expliqué pour les interventions mises en œuvre, elles sont classées en quatre groupes n'affectant pas le processus de production ou les systèmes auxiliaires, tels que, par exemple, l'éclairage, les interventions de gestion et la production à partir de sources renouvelables. Les tableaux 7 et 8 résument les économies d'énergie finale, ainsi que les coûts d'investissement indiqués par les sites de production qui ont proposé, dans les EE, une étude de faisabilité. Le tableau 9 présente les indicateurs coût-efficacité calculés pour les interventions suggérées. Des études de faisabilité ont été estimées pour réaliser des économies d'électricité dans tous les domaines tout en obtenant des économies thermiques significatives dans les domaines 'centrales thermiques et systèmes de récupération de chaleur' ​​et 'lignes de production et machines'. L'économie d'énergie la plus élevée a été associée au domaine « centrales thermiques et systèmes de récupération de chaleur ».

Comme observé dans les interventions mises en œuvre, celles des chaînes de production étaient associées à des économies potentielles élevées, et elles sont suivies par les coûts d'investissement les plus importants (tableau 8). Ce domaine présente un indicateur de rentabilité relativement bon et, comme le montre le tableau 3, la plupart des solutions technologiques sont appliquées aux fours. En ce qui concerne les interventions mises en œuvre, dans ce cas, le remplacement du four représente une part élevée des interventions. La rentabilité des « centrales thermiques et systèmes de récupération de chaleur » est alignée sur celle des interventions dans les chaînes de production, mais le dernier domaine a un temps de retour sur investissement (PBT) nettement plus court. Les interventions dans les systèmes sous pression ont la meilleure valeur de l'indicateur coût-efficacité, tandis que celles dans les lignes de production affichent la meilleure valeur pour le PBT (tableau 9).

Tableau 7. Économies d'énergie évaluées pour les interventions technologiques proposées. Les économies annuelles totales sont calculées comme la somme des économies d'énergie thermique, d'électricité et de carburant.

Tableau 8. Investissements évalués pour les interventions suggérées.

Tableau 9.Temps de retour pour chaque domaine d'intervention.

Les interventions technologiques suggérées peuvent également être analysées en distinguant leur classe PBT (voir Figure 7). Dans ce cas, 146 interventions sur 162 rapportent des informations quantitatives. Les interventions proposées avec PBT entre 1 et 2 ans représentent 28% (4,2 ktep/an) de l'économie potentielle annuelle totale. 15% d'économies potentielles supplémentaires sont associées aux interventions ayant un PBT entre 3 et 5 ans (2,2 ktep/an).

Enfin, la figure 8 montre que la moitié des économies potentielles (6,8 ktep/an) peuvent être réalisées en adoptant des interventions avec un PBT inférieur à 3 ans et en mobilisant 12 % de l'investissement total associé aux interventions proposées (environ 4,4 millions d'euros). Cela met en évidence le fait que des interventions relativement moins coûteuses sont associées à un potentiel d'économie élevé, et une telle tendance apparaît encore plus significative si l'on considère que les mécanismes d'incitation existants ne sont pas inclus dans le calcul du PBT.

Comme le montre la figure 4, le processus de production de verre présente de nombreuses interventions possibles pour améliorer l'efficacité énergétique, principalement liées aux systèmes auxiliaires ou aux technologies dans les phases de processus de fusion, d'affinage et de finition. En ce qui concerne les systèmes auxiliaires, la plupart des solutions trouvées par les AE concernent les interventions futures (132). À leur tour, la plupart de ces solutions font référence aux systèmes de pression et aux moteurs. Pour les deux objets d'intervention, les améliorations proposées portent principalement sur le revamping des machines avec des systèmes plus performants.

En effet, l'investissement moyen requis pour mettre en œuvre les interventions proposées dans les systèmes sous pression est relativement faible (environ 45 000 EUR). Au lieu de cela, l'investissement moyen pour les interventions sur les moteurs est d'environ 65 000 euros. En termes de rentabilité, comme déjà souligné, les systèmes sous pression ont la meilleure valeur de l'indicateur. En regardant la part (voir Figure 6) de ces deux zones dans différentes classes PBT, la part des systèmes sous pression diminue en augmentant la classe PBT, montrant que cette zone se caractérise par un retour sur investissement relativement court. Autrement, le domaine d'intervention lié aux moteurs a la part la plus élevée dans les classes PBT entre 2 et 3 ans et entre 3 et 5 ans.

En résumé, les systèmes de pression semblent être associés aux rendements les plus immédiats, alors que les interventions sur les moteurs sont intéressantes au regard des indicateurs économiques mais sont susceptibles d'être planifiées en raison du rôle clé des dispositifs associés dans le processus de production. En revanche, en ce qui concerne les phases de procédé, la fusion et le raffinage est celle qui compte le plus grand nombre d'interventions réalisées (72). En effet, cette phase implique des actifs végétaux fortement énergivores, qui doivent atteindre et maintenir des températures extrêmement élevées tout au long de la phase de fusion. La phase de processus de raffinage voit la plupart des interventions effectuées sur les fours et les systèmes de récupération de chaleur. En particulier, pour les fours, la plupart des interventions rapportées concernent le revamping de la machinerie, ainsi que l'isolation des murs. Les interventions mises en œuvre et proposées dans la classification des groupes de filières de production se caractérisent par des investissements relativement élevés par rapport aux interventions dans d'autres domaines.

De plus, en termes d'investissements, les systèmes de récupération de chaleur sont le deuxième domaine caractérisé par des investissements relatifs plus élevés (voir tableau 8). La plupart des interventions sur les lignes de production se situent dans les deux premières classes PBT. En revanche, les systèmes de récupération de chaleur sont concentrés dans les deux classes centrales, avec des PBT entre 3 et 5 ans et entre 5 et 10. Au lieu de cela, la phase de finition voit la plupart des interventions d'intérêt dans les années à venir (80). Un quart de ces interventions visent les systèmes sous pression, la majorité d'entre elles visant à réduire les pertes d'air comprimé. Comme déjà souligné, les systèmes de pression sont un domaine d'intervention très intéressant par rapport à tous les indicateurs économiques pour les interventions suggérées, tels que l'investissement moyen, le rapport coût-efficacité et le PBT.

Enfin, il est nécessaire de signaler que certaines des technologies d'efficacité énergétique trouvées dans la littérature ne sont pas réellement prises en compte par les 103 entreprises italiennes. Une première justification peut être due à l'état d'avancement technologique de la solution, qui peut être au stade initial ou en déclin. Les technologies à un stade précoce peuvent être considérées comme émergentes. Par conséquent, l'intérêt réel de leur application n'est pas encore tout à fait clair. D'autre part, les technologies en phase terminale sont considérées comme obsolètes. Par conséquent, elles représentent des interventions moins efficaces et plus coûteuses par rapport aux autres solutions. Enfin, une autre justification possible de la non-application de certaines technologies s'avère être un grand changement pour le processus de production en définissant des changements destructeurs.

L'amélioration de l'efficacité énergétique des entreprises est de plus en plus pertinente en termes d'impact économique (perçu à court terme) et d'impact environnemental (perçu à moyen et long terme). Dans ce contexte, plusieurs secteurs industriels sont concernés et intéressés par l'amélioration de la performance énergétique. Auparavant, la recherche a proposé des indications d'économies d'énergie pour différents secteurs, tels que les industries de la fonderie [9] et du ciment [8]. Parmi les secteurs, la fabrication du verre est très énergivore, consommant à l'échelle mondiale environ 45 000 TJ par an. Les interventions technologiques de l'industrie du verre n'ont pas encore été étudiées. Pour cette raison, une analyse détaillée des solutions technologiques d'efficacité énergétique a été menée. Une liste mise à jour des opportunités technologiques d'économie d'énergie a été fournie, en les divisant en fonction des phases du processus et de l'actif concerné. L'analyse montre la preuve de toutes les solutions dans la littérature comme base de l'état de l'art. Ces solutions ont été complétées par l'ensemble des interventions mises en évidence par les EA de 103 sites de production de verre répartis dans toute l'Italie.

Comme mentionné ci-dessus, une EE est un document systématique qui est nécessaire pour analyser les futurs investissements potentiels dans des solutions d'économie d'énergie. Les analyses énergétiques fournissent des résultats statistiques des interventions réalisées et proposées par les entreprises italiennes, en les divisant par phase de processus, machines de processus et type de produit final fabriqué. De plus, à partir des données économiques des EA, les relations monétaires pour l'application et l'applicabilité de certaines technologies ont été identifiées. Les analyses énergétiques et économiques n'ont pas pris en compte les solutions d'éclairage et de chauffage de l'usine, les processus en aval pour le contrôle qualité et le conditionnement des produits, et les solutions d'installation de capteurs. En revanche, des solutions pour les systèmes auxiliaires ont été envisagées, n'étant pas négligeables pour l'efficacité énergétique. Il est pertinent de souligner que les résultats de l'analyse statistique et économique pourraient représenter un guide pour les entreprises désireuses d'améliorer leur durabilité. Cependant, la sélection d'une solution optimale dépend de décisions stratégiques qui peuvent être spécifiques à l'entreprise.

Les résultats des évaluations environnementales montrent que la plupart des solutions concernent des interventions proposées plutôt que mises en œuvre. Parmi ceux-ci, les systèmes auxiliaires sont le plus souvent envisagés pour l'amélioration et le revamping des systèmes sous pression et des moteurs. Au contraire, du point de vue du processus de production, parmi les quatre phases identifiées du processus de fabrication du verre, la fusion et l'affinage et la finition sont des phases particulièrement intéressantes. Plus précisément, dans la phase de fusion et de raffinage, la plupart des interventions mises en œuvre concernent les fours et les systèmes de récupération de chaleur. En revanche, en phase de finition, la plupart des solutions proposées concernent des interventions sur les systèmes de pression, les systèmes de récupération de chaleur et les moteurs. En revanche, peu de solutions ont été trouvées pour la phase de préparation et de conditionnement de la fusion, ni pour celle du moulage.

Du point de vue du produit fini, l'Italie montre un intérêt particulier pour la production de verre creux et de systèmes de vitrage, pour lesquels le plus grand nombre d'interventions proposées et mises en œuvre sont signalées. Cependant, lorsqu'elles sont pondérées par le nombre de sites de production utilisés, des valeurs élevées sont atteintes par les types de produits de tubes en verre et d'autres produits. Il est donc possible d'affirmer que, bien que ce ne soient pas des types de produits très populaires en Italie, ce sont ceux pour lesquels les entreprises mettent en œuvre et proposent en moyenne le plus grand nombre de solutions, ils sont donc considérés comme présentant un grand intérêt.

D'un point de vue économique et énergétique, l'analyse des interventions mises en œuvre répertoriées dans l'EE montre des valeurs intéressantes d'économies réalisées. Les économies d'énergie finales peuvent être calculées, notamment en considérant plusieurs domaines d'intervention techniques, technico-managériaux et managériaux, à l'exclusion de la cogénération/trigénération et de la production à partir de sources renouvelables. Les interventions décrites dans les EE par les entreprises assujetties sont associées à la réalisation d'économies d'énergie finale égales à 0,7 % de la consommation d'énergie finale dans le secteur du verre. La portée d'une EE est de décrire la structure de la consommation d'énergie au niveau du site, d'identifier les indices de performance énergétique et de les comparer avec ceux de la littérature. Ensuite, en plus de cela, les évaluations environnementales visent à identifier les opportunités d'économie d'énergie les plus efficaces. Les solutions identifiées dans les évaluations environnementales, si elles sont mises en œuvre, seraient associées à des économies d'énergie finale égales à 0,9 % de la consommation d'énergie finale du secteur du verre.

Dans cet article, l'accent a été mis sur un groupe spécifique d'interventions, liées aux domaines technologiques pertinents pour le processus de production, les systèmes auxiliaires et les systèmes de récupération de chaleur. Cependant, cette focalisation peut être considérée comme une limite de l'étude, de sorte que les travaux futurs pourront porter sur d'autres types d'améliorations que les équipements de production de verre. Des opportunités intéressantes d'économie d'énergie existent dans tous les domaines, bien qu'elles soient différenciées en termes d'investissement, de rentabilité et de PBT. Les technologies utilisées dans le processus de production, ainsi que les caractéristiques économiques au niveau du site, sont très susceptibles d'influencer l'identification et le choix des interventions. Actuellement, la flambée des prix de l'énergie est susceptible d'avoir un effet général sur la baisse du PBT, mais aussi d'affecter négativement la volonté et la capacité de l'entreprise à adopter de nouveaux projets d'investissement.

Dans ce travail, deux objectifs ont été atteints qui représentent la plus grande contribution tant pour les praticiens que pour les chercheurs. Le premier était de fournir une liste actualisée des opportunités technologiques d'économie d'énergie pour les usines de production de verre. Le deuxième objectif est de cartographier la situation italienne actuelle et les perspectives d'avenir. Des développements futurs possibles pourraient être l'analyse de l'état actuel et technologique des entreprises verrières dans d'autres pays, comparant ainsi les pratiques courantes et mettant en évidence les motivations derrière certains choix.

Par ailleurs, il est intéressant de vérifier périodiquement quelles solutions ont effectivement été mises en place et quelles autres sont proposées en fonction des avancées technologiques et des réglementations internationales. Par ailleurs, un autre développement futur possible pourrait être l'analyse d'autres secteurs de production fortement énergivores situés en Italie. Enfin, il convient de mentionner que ce travail ne prouve pas quelle est la meilleure solution globale, qui est fortement liée aux besoins/contraintes de chaque entreprise. En effet, les entreprises pourraient donner des priorités différentes à des aspects distincts (par exemple, économiques, environnementaux, etc.). En conséquence, un éventuel futur développement de la recherche pourrait être l'exploitation d'un modèle de prise de décision multicritères (MCDM) pour définir la meilleure solution à adopter compte tenu d'un certain contexte.

Conceptualisation, AC, LL, SF et FDC ; méthodologie, AC, LL, SF et FDC ; logiciel, CM, MS, FM, AC et LL ; validation, AC, LL, SF, FDC, FM, MS et CM ; analyse formelle, AC, LL, SF et CM ; enquête, AC, LL, SF et CM ; ressources, CM et MS ; conservation des données, AC, LL, SF et CM ; écriture—préparation du brouillon original, SF ; rédaction—révision et édition, AC, LL, FDC, CM, FM et MS ; visualisation, SF.; surveillance, FDC ; administration de projet, FDC, FM et MS ; acquisition de financement, MS et FM Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Ce travail fait partie de la recherche sur le système électrique (PTR 2019-2021), mise en œuvre dans le cadre d'accords de programme entre le ministère italien du développement économique et ENEA, CNR et RSE SpA

N'est pas applicable.

N'est pas applicable.

Les données sont contenues dans l'article.

Les auteurs remercient l'assistance technique fournie par l'Association italienne des fabricants de verre.

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.