Processi di produzione della birra energeticamente efficienti grazie alle pompe di calore

La birra è una delle bevande più amate in Svizzera e sempre più persone bevono birra in lattina. Se nel 1980 la birra in lattina rappresentava solo mezzo punto percentuale, nel 2000 aveva già raggiunto il 10 % e oggi ben il 44 %. Ogni anno nel nostro Paese si consumano circa 400 milioni di lattine di birra.

Rispetto al vetro le lattine offrono grandi vantaggi: sono, ad esempio, più leggere e offrono un fattore di protezione dalla luce più elevato. Caratteristiche ideali per la birra, che deve essere conservata in un luogo fresco e buio. Tuttavia, a causa della loro forma, dopo il riempimento le lattine devono essere sottoposte a un trattamento termico in un pastorizzatore, che permette di conservare la birra. I grandi birrifici utilizzano spesso un pastorizzatore a tunnel, in grado di trattare volumi elevati.

250 milioni di bottiglie e lattine all'anno

La Feldschlösschen di Rheinfelden possiede un pastorizzatore a tunnel. Questo imponente «apparecchio» è lungo ben 20 metri e largo quasi 6 metri. Può pastorizzare fino a 55 000 lattine o bottiglie all'ora, che vengono introdotte su un nastro trasportatore largo 4,5 metri nel pastorizzatore, suddiviso in dieci zone. Nelle prime tre zone le lattine e le bottiglie sigillate vengono fatte scorrere sotto un getto di acqua calda, raggiungendo così una temperatura di circa 53 °C. Il getto di acqua calda continua anche nelle quattro zone successive, dove durante il passaggio la temperatura viene mantenuta tra i 62 e i 64 °C (temperatura di pastorizzazione). Infine, nelle ultime tre zone le lattine e le bottiglie vengono raffreddate lentamente con acqua fredda fino a raggiungere una temperatura di circa 28 °C. Il passaggio attraverso il pastorizzatore dura circa 40 minuti e le bottiglie e le lattine devono essere tenute al caldo per circa 20 minuti. Di conseguenza in una prima fase il processo richiede molta energia per riscaldare e mantenere la temperatura durante la pastorizzazione; in una seconda fase le lattine devono essere raffreddate prima della lavorazione finale e del confezionamento, il che comporta di nuovo un elevato consumo di energia. Ogni anno circa 250 milioni di bottiglie e lattine vengono sottoposte a questo processo nello stabilimento della Feldschlösschen di Rheinfelden.

In passato lo stabilimento prelevava tutto il calore necessario per la pastorizzazione dalla caldaia centrale. Qui il 70 % del calore è prodotto da energie rinnovabili (biogas e alcol derivante dalla produzione della birra) e il 30 % da gas naturale. Un circuito di raffreddamento ad acqua recupera il calore residuo del pastorizzatore. Se le temperature esterne sono basse, tale circuito viene raffreddato attraverso una torre di raffreddamento, altrimenti il processo deve essere raffreddato con acqua potabile.

Ora invece l'acqua per il pastorizzatore viene riscaldata con una pompa di calore da 400 kW, aumentando così l'efficienza energetica del processo e riducendo le emissioni di CO2. Inoltre, il calore prodotto durante il processo di raffreddamento del pastorizzatore viene sfruttato come fonte termica per la pompa di calore, la quale recupera anche il calore residuo dei compressori d'aria. In fase di progettazione era stato fissato l'obiettivo di ridurre le emissioni di CO2 di fino a 400 tonnellate all'anno. Allo stesso tempo si era cercato per la pompa di calore un refrigerante rispettoso del clima ed è stato scelto il refrigerante HFO R1234ze, che ha un potenziale di riscaldamento globale (GWP) pari a 3 e rientra quindi tra i refrigeranti naturali.

Monitoraggio scientifico dell'implementazione

L'attuazione del progetto è stata pianificata internamente dagli specialisti della Feldschlösschen, che hanno successivamente proceduto alla realizzazione concreta insieme all'installatore di lunga data dell'azienda e al fornitore della pompa di calore. Thomas Janssen, responsabile di Sustainability Development alla Feldschlösschen Supply AG, ha fatto inoltre monitorare e valutare la conversione dell'alimentazione energetica del pastorizzatore a tunnel dagli scienziati dell'Institut für Energiesysteme, istituto che studia i sistemi energetici, della Ostschweizer Fachhochschule (FH OST).

Dalle misurazioni condotte per cinque mesi dalla dottoressa Ekaterina Möhr, collaboratrice scientifica presso la FH OST, è emerso quanto segue: la pompa di calore ha un'efficienza elevata e raggiunge un COP di 3,2, con una temperatura di condensazione di 73°C e un salto termico di 57°C. Il nuovo impianto è ben integrato nel sistema esistente e fornisce una potenza termica media di 230 kW. Durante le 5200 ore di funzionamento del pastorizzatore a tunnel la pompa di calore ha permesso di risparmiare 275 tonnellate di CO2 nel corso del suo primo anno di esercizio. Si tratta di una cifra leggermente inferiore a quella calcolata inizialmente, ma in compenso si è ridotto di conseguenza il consumo di gas.

Per integrare la pompa di calore nel processo produttivo la Feldschlösschen ha dovuto superare due grandi sfide. Da una parte, Thomas Janssen e il suo team hanno avuto bisogno di un po' di tempo per comprendere le diverse condizioni operative in inverno e in estate; infatti, la pompa di calore e i sistemi periferici hanno dovuto essere adattati attentamente alle diverse condizioni del processo. Dall'altra, l'integrazione del nuovo impianto nel sistema di controllo generale del processo è stata complessa. Ma sono proprio queste le sfide più stimolanti per Thomas Janssen e il suo team. Per Thomas Janssen, che vanta una pluriennale esperienza, il progetto rappresenta una nuova fonte di conoscenze che potrà aiutare l'impresa a raggiungere l'obiettivo «zero emissioni».

Nel contesto geopolitico del 2022 è difficile valutare la redditività economica di una simile soluzione. All'inizio del progetto, nel 2020, erano stati ipotizzati costi di investimento di circa 500 000 franchi svizzeri e un periodo di ammortamento di 7,5 anni. Grazie a un sussidio federale il periodo di ammortamento è stato ridotto a circa 5 anni. La possibilità di ridurlo ulteriormente dipenderà dall'andamento dei prezzi dell'energia elettrica e del gas. Il team ha individuato un ulteriore potenziale nei migliori parametri di esercizio e nell'integrazione del sistema di riscaldamento dell'edificio come consumatore di calore, così da raggiungere l'obiettivo auspicato di riduzione delle emissioni di CO2 di 400 tonnellate.