L’efficienza energetica applicata ai motori elettrici

Unione Industriali di Como19 marzo 2008

La situazione energetica nazionale

Il sistema PaeseIl sistema Paese

Significativa e critica dipendenza energetica dall’estero86% energie primarie (petrolio, gas, carbone)

17% energia elettrica, soprattutto da Francia e Svizzera

Concordata con gli altri membri UE la riduzione del 20% delle

emissioni di CO2 entro il 2020

Il prezzo dell’energia elettrica in alcuni Paesi

La situazione energetica nazionale

Il sistema PaeseIl sistema Paese

Significativa e critica dipendenza energetica dall’estero86% energie primarie (petrolio, gas, carbone)

17% energia elettrica, soprattutto da Francia e Svizzera

Concordata con gli altri membri UE la riduzione del 20% delle

emissioni di CO2 entro il 2020

quindiquindi

Intensa politica per le energie rinnovabili e il risparmio energetico,

con meccanismi di incentivi per ciascun ambito (certificati bianchi,

verdi, legge finanziaria 2007 e rinnovo fino al 2010)

Campagne di istituzionali di comunicazione in corso e/o previste

per il 2008

I consumi elettrici dei motori nell’industria italiana

Totale energia elettrica utilizzata in Italia

Energia elettrica nell’industria

italiana

Energia elettrica utilizzata

per i motori nell’industria

Energia elettrica sciupata con

tecnologie obsolete e altamente dissipative

Motori ad alto rendimento

Motori ad alto rendimento e motori EFF1Motori

Motori ad alto rendimento

Rendimenti superiori a quelli comunemente diffusi

Non c’è limite di taglie, tipologie o configurazioni

Motori EFF1

La parte di motori ad alto rendimento che rispondono ai requisiti del CEMEP

Esistono motori ad alto rendimento che non hanno la targhetta EFF1

Esiston motori che, pur presentando la targa EFF1, in realtà non lo sono

Campo di applicazione dell’accordo CEMEPMotori

Accordo CEMEP

È un accordo volontario, come tale richiede impegno e correttezza da parte dei costruttori

Riguarda solo motori a 400 V, 50 Hz, 2 o 4 poli, da 1,1 a 90 kW

Definisce livelli di efficienza, il maggiore è EFF1

Solo i produttori aderenti al CEMEP hanno diritto ad utilizzare il marchio EFF1 e solo per motori entro le categorie specificate

Esistono motori di altre taglie, tensioni e numero di poli con efficienze superiori allo standard di mercato.Questi non possono essere marcati EFF1 ma possono essere indicati come “ad alto rendimento”

L’efficienza dei motori

Linee guida Cemep

accordo volontario tra i costruttori

Motori

Meno energia dispersa sotto forma di caloreMotori

Un motore con basso rendimento scalda di più perché parte della

sua energia è dispersa sotto forma di calore anziché essere

utilizzata per il movimento meccanico

Oltre ad un migliore design, la differenza principale di

un motore ad alto rendimento risiede nell’utilizzo di

più materiale e nella sua migliore qualità

Perdite nel ferro (18%)- Migliore qualità acciaio-lamine più sottili, pacchi più lunghi, minore traferro

Perdite nel rotore (24%)-maggiore sezione barre di conduzione e degli anelli di cortocircuito

Perdite nel rame dello statore (34%)- Ottimizzazione forma delle cave statoriche- aumentando il volume del rame nello statore

Perdite addizionali a pieno carico (14%)-Ottimizzazione geometria delle cave

Perdite per ventilazione e frizione (10%)-Ventole più piccole-Migliori cuscinetti-Rotore bilanciato dinamic.

Differenze in un motore EFF 1Motori

I costi - non un valido pretesto

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Life Cycle Cost

Costo gestione(energia)

Costo motore emanutenzione

Il costo di acquisto del motore è solo il 1,3% del costo totale della sua vita!

Costi di manutenzione 0,3%

Costi energetici 98,4%Costi energetici 98,4%

Motori

Dati ENEA 2007

Motore da 11 kW, 4 poli – 4.000 h/anno Vecchio motore funzionante: rendimento 83,0% Nuovo Motore EFF1: rendimento 90,1%

Investimento inizialeInvestimento iniziale

Risparmio con nuovo motore EFF1

Vecchio motore: 4.000 h x 0,12 € / kWh x 11 kW ÷ 0,83 = 6.361 € Nuovo motore EFF1: 4.000 h x 0,12 € / kWh x 11 kW ÷ 0,901 = 5.860 € Risparmio energetico annuo: 500 €

Consumo energeticoConsumo energetico

Investimento per la sostituzione di un motore

ancora funzionante

650 €

Investimento iniziale: 650 € Risparmio energetico annuo: 500€ Ritorno dell’investimento: 14 mesi !!!

Bilancio investimentoBilancio investimento

Motori

Risparmio energetico dopo 10 anni

€ 5.000per aver installato un solo motore !

Risparmio energetico dopo 10 anni

€ 5.000per aver installato un solo motore !

Motore da 11 kW, 4 poli – 4.000 h/anno Nuovo motore EFF2: rendimento 88,4% Nuovo Motore EFF1: rendimento 90,1%

Investimento inizialeInvestimento iniziale

Risparmio con motore EFF1 vs EFF2

Nuovo motore EFF2: 4.000 h x 0,12 € / kWh x 11 kW ÷ 0,884 = 5.972 € Nuovo motore EFF1: 4.000 h x 0,12 € / kWh x 11 kW ÷ 0,901 = 5.860 € Risparmio energetico annuo: 112 €

Consumo energeticoConsumo energetico

Delta costo (EFF1 vs EFF2) per la sostituzione di un motore

guasto

100 €

Investimento aggiuntivo: 100 € Risparmio energetico annuo: 112 € Ritorno dell’investimento: 11 mesi !!!

Bilancio investimentoBilancio investimento

Motori

Inverter

Cos’è un inverter

L’inverter varia frequenza e tensione di alimentazione di un motore elettrico, adeguandone la velocità alle effettive

esigenze del dispositivo a cui è collegato

Uline UDC Uout

Inverter

In questo caso cosa fare

301. Tengo il piede fermo sull’acceleratore e regolo la velocità azionando energicamente il freno !?

2. Scalo la marcia e riduco la velocità!

Inverter

L’ inverter adatta in tempo reale le performance del motore alle necessità dell’applicazione

erogando solo la reale potenza richiesta

Il risparmio ottenibile dipende dal tipo di applicazione in esame…

…e dalla tipologia di controllo con cui ci si confronta

Efficienza energetica con inverter

Performance con Ventilatori Performance con compressori

Inverter

Nelle applicazioni con pompe e ventilatori, l’inverter consente la migliore efficienza energetica per i sistemi a portata variabile

Il risparmio effettivo può variare dal 20% al 50% e oltre, il 35% in media rispetto a sistemi on -off, valvole o serrande, by pass

Alcuni impianti funzionano a pieno regime (senza regolazione) anche quando è sovradimensionato

Nei compressori o altre applicazioni (es. nastri trasportatori, mixer, estrusori) l’inverter consente risparmi effettivi dal 10% al 30% e oltre, per i compressori il 15% in media

In Italia**

Le pompe e i ventilatori sotto i 90 kW sono oltre 2 milioni di cui oggi solo l’8% regolati da inverter

Gli inverter sono tecnicamente ed economicamente applicabili ad almeno un ulteriore 52%

Risparmio in pompe e ventilatoriInverter

** Studi Save “ VSDs for Electric Motor system” e “ Improving the penetration of EEM and Drives”

Esempio di inverter per un ventilatore

Costo iniziale: 1.050 € Risparmio energetico annuo: 1.110 € Ritorno dell’investimento: < 12 mesi !!!

Bilancio costiBilancio costi

Consumo annuoConsumo annuo Velocità fissa: 31.081 kWh / anno pari a 3.730 € Con portata variabile (inverter): 21.837 kWh / anno pari a 2.620 € Risparmio energetico 9.244 kWh / anno pari a 1.110 €

(0,12 €/kWh)

Situazione inizialeSituazione iniziale Ventilatore da 11 kW, 3.000 h / anno Parzializzazione della portata con serranda in uscita

Inverter

Risparmio energetico dopo 5 anni

€ 5.545per aver installato un solo inverter !

Risparmio energetico dopo 5 anni

€ 5.545per aver installato un solo inverter !

Esempi di casi reali

Azienda di produzione granulati

Motori EFF1

Sostituzione vecchi motori ancora funzionanti

16 motori di varie potenze (tra 1,5 a 75 kW), funzionanti dalle 2000 alle 2800 ore all’anno - costo energia: 0,13 €/kWh

Sostituzione con nuovi motori ad alto rendimento (EFF1)

RiepilogoConsumo vecchia soluzione 725 [MWh/anno]

Consumo con motore EFF1 670 [MWh/anno]

Risparmio energetico 55 [MWh/anno]

Costi energetici vecchia soluzione 94.250 [€/anno]

Costi energetici con motori EFF1 87.100 [€/anno]

Risparmio annuo 7.150 [€/anno]

Costo investimento motori EFF1 14.000 [€]

NPV a 5 anni 16.200 [€]

Tempo di payback 1,9 [anni]

Con gli incentivi della finanziaria: payback 1,5 anni !

Riduzione emissioni CO2: 27,5 ton/anno

Esempi di casi reali

Azienda di falegmameria per

arredamentoMotori EFF1 e Inverter

La configurazione iniziale

Un ventilatore da 30 kW aspira i trucioli da 4 diverse postazioni di

lavoro

Il ventilatore funziona a velocità fissa, al 100% della potenza

nominale, anche con una necessità parziale di portata dell’aria

Quando una o più postazioni sono inattive, le bocchette

corrispondenti vengono chiuse e il flusso d’aria delle postazioni

rimaste attive viene parzializzato

Il flusso delle diverse

postazioni è regolato dalle

serrande sulle bocche

d’aspirazione

La soluzione

Utilizzo di inverter per regolare la velocità del ventilatore e ridurre la

portata

Quando una o più postazioni sono inattive, la bocchetta

corrispondente viene chiusa e il ventilatore è rallentato per la minore

richiesta di aria

Sostituzione anche del motore con uno nuovo ad alto

rendimento (EFF1)

In caso di richiesta parziale della

portata, il ventilatore rallenta e si

chiudono solo le bocchette delle

postazioni inattive

Bilancio energetico ed economico

Funzionamento annuo: 3.000 ore

Costo energia: 0,18 €/kWh

RiepilogoConsumo vecchia soluzione 200 [MWh/anno]

Consumo con inverter e motore EFF1 145 [MWh/anno]

Risparmio energetico 55 [MWh/anno]

Costi energetici vecchia soluzione 36.600 [€/anno]

Costi energetici con inverter e motore EFF1 26.100 [€/anno]

Risparmio annuo 10.500 [€/anno]

Costo investimento (inverter + installazione) 6.000 [€]

NPV a 5 anni 39.000 [€]

Tempo di payback < 0,6 [anni]

Con gli incentivi della finanziaria: payback < 6 mesi !

Riduzione emissioni CO2: 27,5 ton/anno

Esempi di casi reali

ABB Sace di Marostica

Produzione componenti in plastica

Inverter

L’esigenza

La competizione accentuata comporta l’assoluta necessità di attuare delle politiche di riduzione dei costi di produzione

L’energia elettrica costituisce una delle componenti di costo più importanti per le aziende di trasformazione delle materie plastiche

Consumi elettrici della fabbrica di Marostica:

6.700.000 kWh nel 2005

per una bolletta di 786.000 €

Decisione maggio 2006:

Ridurre i consumi elettrici dell’impianto di almeno un 10%

La configurazione iniziale

Le presse ad iniezione sono azionate attraverso un circuito

idraulico.

Il circuito idraulico è realizzato attraverso una pompa funzionante

al massimo della potenza per tutta la durata del processo.

I flussi idraulici vengono modificati attraverso

l’apertura/strozzatura di valvole.

Le presse erano controllate

attraverso le valvole

La soluzione

Sistema con inverter per regolare

le pompe delle presse ad

iniezione

Programmando opportunamente l’inverter in base alle effettive necessità del ciclo di lavoro, si regola la velocità di rotazione delle pompe che azionano la presse.

Il sistema è composto da

convertitore di frequenza a controllo vettoriale

Tastiera e display per monitoraggio funzionamento installata sul frontale dell’armadio

armadio con grado di protezione IP54 con ventilazione forzata

Le valvole restano sempre

aperte e non si usano per

controllare le presse

Fase Test

Pressa BMB MC 270

Misure effettuate con analizzatore digitale di energia microvip3.

Stato macchina: produzione

Fase Test

Pressa BMB MC 270 Misure effettuate con analizzatore digitale di energia microvip3.

Stato macchina: produzione

Articolo Descrizione Utilizzo macchina

(s)

Consumo energia (kWh)

Consumo energia con INVERTER

(kWh)

Saving

1CS1380 Coperchio 1 39 24,23 16,5 -31,9%

1CS1131Q Mostrina 35 22,5 12,29 -45,4%

1CS10011F Scatola 46 21,19 11,78 -44,4%

1CS1502B Coperchio 2 39 22,17 14,82 -33,2%

1CS7601GA Cassetta 47 20,24 9,78 -51,7%

Risparmio energetico e altri vantaggi

Risparmio energetico la pompa non funziona più costantemente al massimo regime ma la sua velocità

varia in funzione della effettiva richiesta di ogni singola fase di lavoro della pressa;

Risparmio nel raffreddamento olio presse riduzione dell’energia sprecata in surriscaldamento del fluido idraulico riduzione

della potenza di raffreddamento necessaria;

Riduzione della rumorosità in conseguenza del funzionamento delle pompe a regimi ridotti o addirittura ferme

nelle pause del ciclo;

Riduzione dei costi di manutenzione il fluido idraulico è meno stressato e pertanto si prolungano notevolmente gli

intervalli di sostituzione;

Riduzione della potenza installata a parità di potenza contrattuale fornita si potranno installare altre presse senza

richiedere costosi aumenti della stessa

Risultato del progetto – risparmio energetico

Costo medio 2006 EE (€/kWh)= 0,115

Totale ore attive rolling 12 mesi

SENZA INVERTER

CON INVERTER Saving kWh Saving %

Saving €/anno

3.466 45 29 54.063 35% 6.217 4.656 32 20 57.637 38% 6.628 4.663 31 16 72.930 50% 8.387 3.494 27 16 38.684 41% 4.449 4.187 26 17 37.683 35% 4.334 4.033 26 17 36.297 35% 4.174 4.273 24 16 35.677 35% 4.103 4.115 21 14 31.070 35% 3.573 4.044 41 21 78.050 47% 8.976

442.090 50.840

Consumo medio kWh

prodotti + sistema + installazione

1,3 anni

Costo medio 2006 EE (€/kWh) = 0,115

DescrizioneUtilizzo - Saturaz. Saving %

Saving €/anno

Costo sistema ESC (€)

Payback (anni)

BMB HB 1600 universale 49% 35% 6.217 14.850 2,39 BMB MC 450 universale / PVC 79% 38% 6.628 6.599 1,00 BMB MC 350 universale 78% 50% 8.387 6.599 0,79 BMB MC 300 (ex 270) NYLON 60% 41% 4.449 5.241 1,18 REAL PRESS 200 B/C 71% 35% 4.334 5.997 1,38 REAL PRESS 200 B/C 70% 35% 4.174 5.997 1,44 BMB MC 150 PVC 74% 35% 4.103 3.717 0,91 BMB MC 350 BIMATERIA 67% 35% 3.573 6.599 1,85 BMB KW 650 67% 47% 8.976 9.817 1,09

50.840 65.416 1,3

Risultato del progetto – ritorno investimento

Senza incentivi, nel 2006 non erano previsti…

Aree di intervento nelle industrie

Un’azienda chiedeva supporto per efficienza nei loro impianti

“Siamo già attivi da anni per rendere efficienti i nostri impianti, abbiamo già installato inverter su tutti i ventilatori che avevano serrande e i nuovi motori sono EFF1 in specifica. Cos’altro possiamo fare?”

Alla fine ecco i compiti a casa

Analizzare vantaggi e ritorni per

1. Sostituzione tutto il parco installato motori BT (del 1970 !) con EFF1

2. Installazione inverter su pompe

3. Installazione inverter su compressori

4. Installazione inverter su ventilatori velocità fissa (riduzione velocità all’80%)

5. Installazione inverter su motori in MT

6. Sostituzione trasformatori MT – BT vecchi e di bassa efficienza

Un’esperienza da cui prendere spunto

Concludendo

Risparmio energetico = risparmio economico

Efficienza energetica = produrre di più consumando di meno

Migliore tecnologia = maggiore affidabilità dei propri impianti

Minori consumi oggi = minore incremento del costo dell’energia domani

Benefici per il sistema Paese…

Il valore della responsabilitàIl valore della responsabilità

In pratica dove iniziare a cercare il risparmio

Tutti i motori di bassa tensione (motori EFF1), specie se funzionanti molte ore all’anno

Impianti con un installato particolarmente vecchio (motori riavvolti e regolazione tradizionale)

Pompe, ventilatori, compressori

Motori di media tensione dove è possibile aggiungere un inverter

Il valore per le aziendeIl valore per le aziende