State of the art and decarbonization options for glass industry : the case of Bormioli Pharma

The Thesis work has been conducted in collaboration with Bormioli Pharma, an industrial group with headquarter in Parma and active in the pharmaceutical packaging supply sector, specifically in the production of glass, plastic and rubber. The group counts on more than 1200 employees and nine plants between Italy, Germany and France. The Thesis has the intention to address the topic of decarbonisation of the glass industry from the viewpoint of a company that directly operates in the field. In this light, the first chapter wants to present the types of glasses for the specific sector as well as the different furnaces with their characteristics. The second chapter pursues an in-depth analysis of the state-of-art from the energetic point of view, by tuning the energy balances with the data made available by the Company itself. This is of key importance because allows to understand where the Company is right now, in terms of energy demand and carbon intensity. In the third chapter the outcomes of chapter two are exploited in order to compare the different furnaces, which allows to understand the impact of each system on the energy demand as well as CO_2 emissions. The decarbonization options are discussed in the fourth chapter in terms of waste heat recovery, fuel switch and process optimization in combustion: for each technology considered, a critical analysis of pros and cons is carried out based on literature review, as well as with their impact and readiness level in the market. In the fifth chapter is reported the case study of waste heat recovery approach aimed at the production of mechanical/electrical power applied to a glass furnace with similar characteristics as those of Bormioli Pharma, executed by researchers of the University of Padova. The focus is on the potential employment of not-traditional thermodynamic cycles against the well-established and market-ready Organic Rankine Cycle, such as closed-loop Joule-Brayton cycles employing supercritical CO_2 as working fluid. The sixth chapter contains the core of the work, which consists in the thermodynamic and economic assessment of a peculiar waste heat recovery approach: steam methane reforming exploiting the residual thermal power of flue gases. This, applied to an end-port furnace, represents a novel approach for heat recovery in the glass field. The analysis comprises the modelling of the furnace as well as of the components required, together with their sizing, and is built on the basis of mass and energy balances together with chemical equilibrium approach for the reforming reactions. The project is closed with a quotation of the main relevant pieces of equipment and with the economic assessment of the overall system by means of the Net present Value approach. Eventually, in the conclusions the outcomes of the Thesis are reported and summarized.

Il progetto di Tesi è stato condotto in collaborazione con l’azienda Bormioli Pharma, gruppo industriale con sede a Parma e attivo nella produzione di packaging farmaceutico in vetro, plastica e gomma. L’azienda conta oltre 1200 dipendenti e nove plants produttivi tra Italia, Germania e Francia. La Tesi ha l’obiettivo di discutere il tema della decarbonizzazione dell’industria vetraria dal punto di vista di una azienda realmente operante nel settore. In questa luce, il primo capitolo vuole presentare i diversi tipi di vetro sul mercato e le diverse fornaci, con le rispettive caratteristiche. Il secondo capitolo si concentra sull’analizzare nel dettaglio lo stato dell’arte dal punto di vista energetico, andando a settare i bilanci di energia con i dati messi a disposizione dall’Azienda stessa. Questo è di importanza assoluta poiché permette di capire dove l’Azienda si trovi in questo momento, in termini di consumo energetico e di intensità emissiva. Nel terzo capitolo i risultati del capitolo due vengono utilizzati per confrontare i diversi forni, cosa che permette di notare l’impatto di ciascun sistema sulla richiesta energetica e sulle emissioni di CO_2. Le opzioni per la decarbonizzazione sono discusse nel quarto capitolo in termini di recupero termico, combustibili alternativi e ottimizzazione del processo di combustione: per ciascuna tecnologia considerata è proposta una analisi critica dei pro e dei contro, basata su ricerche in letteratura, insieme al loro impatto e al loro livello di prontezza nel mercato. Nel quinto capitolo è riportato il caso dell’approccio al recupero termico volto alla produzione di potenza meccanica/elettrica applicato a un forno vetrario con caratteristiche simili a quelli di Bormioli Pharma, eseguito da ricercatori dell’Università di Padova. Il focus è sul potenziale utilizzo di cicli termodinamici non tradizionali rispetto al ben consolidato e già disponibile sul mercato Organic Rankine Cycle, come cicli Joule-Brayton chiusi con fluido di lavoro CO_2 supercritica. Il sesto capitolo contiene il cuore del lavoro, che consiste nella valutazione termodinamica ed economica di un particolare approccio al recupero termico: lo steam reforming del metano, utilizzando la potenza termica residua dei gas di scarico. Questo, applicato a un forno di tipo end-port, rappresenta un approccio innovativo per il recupero termico applicato al mondo vetrario. L’analisi comprende la modellizzazione della fornace e dei componenti richiesti, insieme al loro dimensionamento, ed è costruito sulla base dei bilanci di massa ed energia insieme all’equilibrio chimico per le reazioni di reforming. Il progetto è chiuso con la quotazione dei componenti principali e con la valutazione economica del sistema complessivo attraverso l’approccio del Net Present Value. Infine, nelle conclusioni vengono riportati e riassunti i risultati ottenuti nel progetto di Tesi.