Lefficienza energetica applicata ai motori elettrici Unione Industriali di Como 19 marzo 2008

La situazione energetica nazionale Il sistema Paese Significativa e critica dipendenza energetica dallestero 86% 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 CO 2 entro il 2020

Il prezzo dellenergia elettrica in alcuni Paesi

La situazione energetica nazionale Il sistema Paese Significativa e critica dipendenza energetica dallestero 86% 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 CO 2 entro il 2020quindi 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 nellindustria italiana Totale energia elettrica utilizzata in Italia Energia elettrica nellindustria italiana Energia elettrica utilizzata per i motori nellindustria Energia elettrica sciupata con tecnologie obsolete e altamente dissipative

Motori ad alto rendimento

Motori ad alto rendimento e motori EFF1 Motori Motori ad alto rendimento Rendimenti superiori a quelli comunemente diffusi Non cè 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 dellaccordo CEMEP Motori 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

Lefficienza dei motori Linee guida Cemep accordo volontario tra i costruttori Motori

Meno energia dispersa sotto forma di calore Motori 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 nellutilizzo 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 1 Motori

I costi - non un valido pretesto 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% Motori Dati ENEA 2007

Motore da 11 kW, 4 poli – h/anno Vecchio motore funzionante: rendimento 83,0% Nuovo Motore EFF1: rendimento 90,1% Investimento iniziale Risparmio con nuovo motore EFF1 Vecchio motore: h x 0,12 / kWh x 11 kW ÷ 0,83 = Nuovo motore EFF1: h x 0,12 / kWh x 11 kW ÷ 0,901 = Risparmio energetico annuo: 500 Consumo energetico Investimento per la sostituzione di un motore ancora funzionante 650 Investimento iniziale:650 Risparmio energetico annuo:500 Ritorno dellinvestimento:14 mesi !!! Bilancio investimento Motori Risparmio energetico dopo 10 anni per aver installato un solo motore ! Risparmio energetico dopo 10 anni per aver installato un solo motore !

Motore da 11 kW, 4 poli – h/anno Nuovo motore EFF2: rendimento 88,4% Nuovo Motore EFF1: rendimento 90,1% Investimento iniziale Risparmio con motore EFF1 vs EFF2 Nuovo motore EFF2: h x 0,12 / kWh x 11 kW ÷ 0,884 = Nuovo motore EFF1: h x 0,12 / kWh x 11 kW ÷ 0,901 = Risparmio energetico annuo: 112 Consumo energetico Delta costo (EFF1 vs EFF2) per la sostituzione di un motore guasto 100 Investimento aggiuntivo:100 Risparmio energetico annuo:112 Ritorno dellinvestimento:11 mesi !!! Bilancio investimento Motori

Inverter

Cosè un inverter Linverter varia frequenza e tensione di alimentazione di un motore elettrico, adeguandone la velocità alle effettive esigenze del dispositivo a cui è collegato U line U DC U out Inverter

In questo caso cosa fare Tengo il piede fermo sullacceleratore 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 dellapplicazione 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 VentilatoriPerformance con compressori Inverter

Nelle applicazioni con pompe e ventilatori, linverter 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) linverter 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 l8% regolati da inverter Gli inverter sono tecnicamente ed economicamente applicabili ad almeno un ulteriore 52% Risparmio in pompe e ventilatori Inverter ** 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: Ritorno dellinvestimento:< 12 mesi !!! Bilancio costi Consumo annuo Velocità fissa: kWh / annopari a Con portata variabile (inverter): kWh / annopari a Risparmio energetico kWh / annopari a (0,12 /kWh) Situazione iniziale Ventilatore da 11 kW, h / anno Parzializzazione della portata con serranda in uscita Inverter Risparmio energetico dopo 5 anni per aver installato un solo inverter ! Risparmio energetico dopo 5 anni per aver installato un solo inverter !

Non solo compressori Lutilizzo dell inverter consente risparmi considerevoli anche in applicazioni diverse, ad esempio nastri trasportatori, mixer, estrusori e compressori Il risparmio effettivo può variare da un 10% a un 30% e oltre, per i compressori il 15% in media 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 allanno - costo energia: 0,13 /kWh Sostituzione con nuovi motori ad alto rendimento (EFF1) Riepilogo Consumo vecchia soluzione725 [MWh/anno] Consumo con motore EFF1670 [MWh/anno] Risparmio energetico55 [MWh/anno] Costi energetici vecchia soluzione [/anno] Costi energetici con motori EFF [/anno] Risparmio annuo7.150 [/anno] Costo investimento motori EFF [] NPV a 5 anni [] Tempo di payback1,9 [anni] Con gli incentivi della finanziaria: payback 1,5 anni ! Riduzione emissioni CO 2 : 27,5 ton/anno

Esempi di casi reali Azienda di falegmameria per arredamento Motori 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 dellaria Quando una o più postazioni sono inattive, le bocchette corrispondenti vengono chiuse e il flusso daria delle postazioni rimaste attive viene parzializzato Il flusso delle diverse postazioni è regolato dalle serrande sulle bocche daspirazione

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: ore Costo energia: 0,18 /kWh Riepilogo Consumo vecchia soluzione200 [MWh/anno] Consumo con inverter e motore EFF1145 [MWh/anno] Risparmio energetico55 [MWh/anno] Costi energetici vecchia soluzione [/anno] Costi energetici con inverter e motore EFF [/anno] Risparmio annuo [/anno] Costo investimento (inverter + installazione)6.000 [] NPV a 5 anni [] Tempo di payback< 0,6 [anni] Con gli incentivi della finanziaria: payback < 6 mesi ! Riduzione emissioni CO 2 : 27,5 ton/anno

Esempi di casi reali ABB Sace di Marostica Produzione componenti in plastica Inverter

Lesigenza La competizione accentuata comporta lassoluta necessità di attuare delle politiche di riduzione dei costi di produzione Lenergia elettrica costituisce una delle componenti di costo più importanti per le aziende di trasformazione delle materie plastiche Consumi elettrici della fabbrica di Marostica: kWh nel 2005 per una bolletta di Decisione maggio 2006: Ridurre i consumi elettrici dellimpianto 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 lapertura/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 linverter 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 dellarmadio 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 ArticoloDescrizioneUtilizzo macchina (s) Consumo energia (kWh) Consumo energia con INVERTER (kWh) Saving 1CS1380Coperchio 13924,2316,5-31,9% 1CS1131QMostrina3522,512,29-45,4% 1CS10011FScatola4621,1911,78-44,4% 1CS1502BCoperchio 23922,1714,82-33,2% 1CS7601GACassetta4720,249,78-51,7%

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 dellenergia 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

prodotti + sistema + installazione 1,3 anni Risultato del progetto – ritorno investimento Senza incentivi, nel 2006 non erano previsti…

Riassumendo 9 inverter hanno permesso risparmio di kWh di energia elettrica riduzione di 317 tonnellate di CO 2 risparmio di in bolletta A fronte di investimento totale di tempo di payback di 1,3 anni NPV a 5 anni pari a

Aree di intervento nelle industrie

Unazienda 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. Cosaltro 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 all80%) 5. Installazione inverter su motori in MT 6. Sostituzione trasformatori MT – BT vecchi e di bassa efficienza Unesperienza da cui prendere spunto

Concludendo

Cosè lefficienza energetica Efficienza Energetica = Produrre di più consumando di meno

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 dellenergia domani Benefici per il sistema Paese… Il valore della responsabilità

In pratica dove iniziare a cercare il risparmio Tutti i motori di bassa tensione (motori EFF1), specie se funzionanti molte ore allanno 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 aziende