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MOTOR
CHALLENGE |
CASI DI SUCCESSO
1.
Ottimizzazione di
un impianto di produzione di aria compressa di un costruttore di macchine
2.
Risparmio energetico
tramite la riduzione del diametro della girante di una pompa
3.
Controllo
della ventilazione di processo
4. Motori elettrici non necessari
5. Applicazioni di
variatori di frequenza a pompe per acqua potabile
1.
Ottimizzazione di un impianto di produzione di aria compressa di un
costruttore di macchine Descrizione: Nel 1997 il
sistema di produzione di aria compressa del "plant2" della fabbrica di
automobili tedesca Dott. Ing. h.c. F. Porsche AG vicino Stuttgart era
costituito da un compressore a vite raffreddato ad acqua (22,2 m3/min,
FAD) più quattro compressori alternativi raffreddati ad acqua da 15 m3/min
cadauno. La massima pressione di funzionamento era 8,7 bar. Un'analisi sul
sistema ad aria compressa, condotta da specialisti di una fabbrica di
compressori, ha riscontrato una richiesta di aria compressa variabile tra
i 15 e 65 m3/min. Elaborando tutti i dati attinenti è stato
definito un nuovo sistema di aria compressa con un utilizzo ottimizzato
dell'energia.
Azione intrapresa: Il
nuovo sistema è suddiviso in due stadi comprendenti solo compressori a
vite raffreddati ad aria. Si è fatto fronte ai picchi di carico mediante
tre macchine con un FAD di 5,62 m3/min ognuno, mentre il carico
di base è stato coperto con quattro compressori conn un FAD di 16,4 m3/min
ognuno. Tutti i sette compressori sono gestiti da un sistema di controllo
centralizzato.
Risultati:
L'ottimizzazione del sistema ad aria compressa ha permesso di conoscere i
costi dell'energia e di effettuare risparmi energetici. Grazie ad una
migliore utilizzazione dei compressori, e grazie alla possibilità di
abbassare la massima pressione di funzionamento da 8,5 a 7,5 bar, la
potenza specifica complessiva della stazione di compressione è stata
ridotta da 8,19 a 6,19 kW/(m3min). I risparmi complessivi di
elettricità ammontano a 483000 kWh per anno. In più sono da conteggiare
circa 55000 euro di risparmi per il mancato consumo dell'acqua di
raffreddamento. Così l'ottimizzazione del sistema di aria compressa è
stata realizzata con un ragionevole tempo di ritorno.
2. Risparmio
energetico tramite la riduzione del diametro della girante di una pompa
Descrizione: Un'azienda
utilizza una pompa centrifuga per riportare la condensa alla caldaia.
Un'analisi mostra che la pressione che la pompa conferisce al liquido è
molto più alta di quella necessaria. Il forte strozzamento necessario per
la regolazione genera instabilità nel sistema con il risultato di un
cattivo funzionamento e di alti costi di manutenzione.
Azione intrapresa: A
seguito di un confronto con il costruttore della pompa la compagnia ha
deciso di ridurre il diametro della girante della pompa da 320 mm a 280 mm
permettendo alla pompa di operare senza strozzamento. La riduzione della
potenza richiesta dalla pompa ha permesso l'utilizzo di un motore più
piccolo con ulteriore risparmio di energia.
Risultati: La modifica intrapresa ha
eliminato l'instabilità (cavitazione) e generato risparmi energetici
significativi. La potenza della pompa, dopo la riduzione del diametro
della girante, è diminuita di circa il 30%. Un'analisi ha mostrato che il
risparmio di energia è stato di 197000 kWh/anno pari a 12714 euro e
inoltre c'è stata una riduzione dei costi di manutenzione di 4285 euro per
anno rispetto a quando la pompa aveva problemi di cavitazione. La ridotta
potenza dovuta ad una girante più piccola ha permesso di passare da un
motore da 110 kW ad uno da 75 kW. Questo motore più piccolo, funzionando
più vicino al massimo dell'efficienza, ha prodotto risparmi addizionali di
1701 euro. Il lavoro di smontaggio e rimontaggio della pompa come quello
di riduzione del diametro sono stati piuttosto modesti. Il costo di
lavorazione della girante è stato di 371 euro. La sostituzione del motore
da 110 kW con uno nuovo da 75 kW ha richiesto un investimento aggiuntivo
di 3600 euro. La riduzione della strozzatura causata dalla valvola ha
anche ridotto le eccessive vibrazioni e un rumore inaccettabile.
Convenienza: Il tempo di ritorno totale
dovuto alla riduzione del diametro della girante ed alla sostituzione del
motore è stato di appena 11,4 settimane calcolate sulla base di un
risparmio annuo di 18070 euro su un investimento totale di 3971 euro.
3.
Controllo della ventilazione di processo
Descrizione: Un'officina utilizza, per
salvaguardare la salute dei lavoratori, un certo numero di ventilatori di
aspirazione per ridurre il particolato e le sostanze chimiche presenti
nell'aria. I ventilatori sono stati equipaggiati con interruttori on/off
manuali. Comunque, i lavoratori non rispettavano il compito di spegnere
gli apparecchi di ventilazione quando non necessari o alla fine della
giornata.
Azione intrapresa: Le unità (venti in numero)
sono state dotate di temporizzatori che intervengono automaticamente per
spegnerle dopo un tempo predefinito al termine dell'orario di lavoro.
Risultati: Il consumo di elettricità è stato
ridotto di 280 MWh/anno con un conseguente risparmio annuo di 12800 euro.
In aggiunta i consumi per riscaldamento sono stati ridotti di 380 MWh/anno
con un risparmio annuo di circa 10500 euro. L'investimento totale è stato
di circa 9600 euro.
Redditività: Il tempo di ritorno è stato di
circa 0,4 anni.
4. Motori
elettrici non necessari
Descrizione: La LKAB, settore minerario,
usa motori elettrici di grande potenza per azionare nastri trasportatori
nel suo impianto di finitura di Kiruna. Sono state condotte, in
collaborazione con un distributore di energia, accurate misurazioni di
assorbimento di energia durante l'esercizio. I risultati hanno mostrato
che la potenza totale richiesta è di 370 kW mentre la potenza installata è
di 900 kW (due motori da 450 kW ognuno).
Azione intrapresa: Uno dei due motori,
insieme alla sua trasmissione, è stato rimosso. Questa stessa azione è
stata successivamente intrapresa su un totale di otto nastri trasportatori
con uguale potenza installata.
Risultati: I costi di energia si sono ridotti
di circa 105000 euro per anno, si sono ridotte le spese di manutenzione
conseguenti alla rimozione di otto motori e di otto trasmissioni, prelievo
di potenza reattiva più bassa, ecc.
Redditività: Il tempo di ritorno è stato
approssimativamente di 0,3 anni (inclusi i costi per misurare
l'assorbimento di potenza).
5.
Applicazioni di variatori di frequenza a pompe per acqua potabile
Caso 1 - Due pompe uguali, una di riserva all’altra, che
prelevano da un pozzo e inviano l’acqua in un serbatoio posto a quota 180
m sul livello del mare.
Caso 2 - Trasferimento acqua dai pozzi di prelievo ad un
serbatoio posto a quota +131 m.
| Il
consumo di acqua potabile
In Italia ogni anno
vengono distribuiti circa 9 miliardi di metri cubi (nel 2005,
8,7 miliardi) di acqua potabile prelevati in massima parte da acque
sotterrane (86%) e per la rimanente parte (14%) da acque
superficiali.
Da un’indagine Istat
che risale al 1999 risulta che il compito della distribuzione è
affidato a circa 11.738 acquedotti molto differenti tra di
loro in termini gestionali, funzionali e dimensionali. La maggior
parte degli acquedotti (9.834) sono di piccola entità (100.000 metri
cubi anno) e riforniscono un solo comune, 1.626 sono intercomunali e
186 interprovinciali. Dietro ogni acquedotto c’è almeno una stazione
di pompaggio con i suoi consumi elettrici.
Per
distribuire l'acqua potabile occorre molta energia elettrica.
L’energia elettrica
consumata annualmente dagli acquedotti è di circa 6.500 GWh
(nel 2005, 6.324,3 GWh) pari a circa il 2% del consumo totale
nazionale di energia elettrica. Il costo di acquisto
dell’energia elettrica è una voce importante nel bilancio di un
acquedotto in quanto ne rappresenta circa il 20%. Quindi ridurre i
consumi di energia elettrica significa anche ridurre i costi delle
società che gestiscono gli acquedotti.
Negli
acquedotti le pompe sono i componenti che consumano la maggiore
quantità di energia elettrica.
La maggior parte dei
consumi elettrici è relativa al funzionamento delle pompe utilizzate
per trasferire l’acqua dai punti di prelievo alle utenze finali o
direttamente o per il tramite di serbatoi di accumulo. Si è pensato
quindi di applicare il Programma Motor Challenge ed in particolare
il modulo relativo ai sistemi di pompaggio a due stazioni di
pompaggio dell'acqua potabile per verificare i possibili vantaggi
ottenibili in termini di uso efficiente dell’energia elettrica.
|
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Stazione di pompaggio 1 - Due
pompe uguali, una di riserva all’altra, che prelevano da un pozzo e
inviano l’acqua in un serbatoio posto a quota 180 m sul livello del
mare.
Dati relativi alle pompe:
|
Tipo |
centrifughe ad asse
verticale |
|
Portata nominale |
28 l/s |
|
Prevalenza |
307 m |
|
Rendimento |
76,1% |
|
Potenza richiesta |
110 kW |
La località servita è
una località di villeggiatura estiva e quindi con consumi molto
variabili nell’ambito dell’anno solare. La variazione della portata,
per rispondere ai differenti regimi, è ottenuta mediante la
regolazione di una valvola manuale. I differenti regimi di portata
nell’arco dell’anno possono ricondursi a quattro ognuno con un
differente numero di ore anno come riportato nella tabella
sottostante.
Tabella 1. Portata in
funzione delle ore anno
|
Utilizzazione |
Portata
l/s |
Ore funzionamento
h/a |
|
bassa |
21 |
1841 |
|
media |
25 |
904 |
|
alta |
28 |
1596 |
|
altissima |
35 |
633 |
|
|
|
|
|
Totale |
|
4974 |
Figura 1. Portata in funzione delle ore anno
Il primo controllo
effettuato ha riguardato la validità della pompa utilizzata nei
confronti del servizio richiesto. La pompa utilizzata ha il suo
punto di massimo rendimento alla portata di 28 l/s. Questo valore
rappresenta una delle portate che la pompa eroga nel corso
dell’anno. Esso è abbastanza centrato in quanto la portata deve
variare da un minimo di 21 l/s ad un massimo di 35 l/s, quindi si
può dire che la pompa in uso è adeguata al servizio richiesto.
Il secondo controllo
effettuato ha riguardato la convenienza tecnico economica di
applicare un variatore di frequenza per il controllo della portata.
Infatti, modificando la frequenza di alimentazione tramite un
inverter, varia il numero di giri del motore e quindi la portata
della pompa, come riportato nella tabella 2.
Tabella
2. Dati caratteristici delle pompe in funzione della diversa
frequenza di alimentazione
|
Frequenza Hz |
50,0 |
44,3 |
42,0 |
39,3 |
|
Portata l/s |
35,0 |
28,0 |
25,0 |
21,0 |
|
Velocità rotazione g/m |
2.900 |
2.570 |
2.440 |
2.280 |
|
Prevalenza m |
218,0 |
210,0 |
200,0 |
195,0 |
|
Potenza richiesta kW |
109,0 |
80,0 |
65,0 |
55,0 |
|
Rendimento motore elettrico % |
84,5 |
82,0 |
81,0 |
80,0 |
|
Potenza assorbita motore elettrico kW |
128,9 |
97,5 |
80,2 |
68,7 |
La potenza assorbita si
riduce notevolmente con l’abbassarsi del numero di giri del motore
ottenendo nel contempo la modifica della della portata voluta.
Tabella 3. Risparmio annuo ottenibile regolando la portata con
inverter
|
Energia elettrica
consumata prima dell'intervento kWh/a |
633.689 |
|
Energia elettrica
consumata dopo dell'intervento kWh/a |
459.413 |
|
Risparmio energetico
annuo kWh/a |
174.276 |
|
Risparmio energetico % |
27,5 |
|
Costo energia elettrica
€/kWh |
0,11 |
|
Risparmio economico €/a |
19.170 |
|
Risparmio energetico in
energia primaria tep/a |
38,34 |
Valutazione economica
Per questa applicazione
si è scelto di utilizzare un inverter della potenza di 132 kW nella
versione IP21. Il costo di un inverter di questa taglia incluso il
montaggio e accessori è pari a circa:
17.000 €
Il tempo di ritorno
dell’investimento è quindi pari a:
0,9 anni
Il calcolo del VAN
dell’investimento, considerando una vita dell’investimento di 10
anni e un tasso di rendimento del 5%, è pari a:
131.000 €
Di seguito si riporta la
curva di andamento del VAN (Valote Attualizzato Netto) in funzione
degli anni di utilizzo
Figura 2. Andamento del
VAN dell’investimento relativo all’inverter
Decreti Efficienza Energetica
Come è noto nel luglio 2004 sono stati emanati i Decreti di
efficienza energetica che impongono ai Distributori di energia
elettrica e gas di effettuare interventi di efficienza energetica
negli usi finali. L’applicazione di sistemi elettronici di
regolazione di frequenza come quello sopra proposto sono tra gli
interventi riconosciuti dai decreti per ottenere un titolo di
efficienza energetica.
L’intervento può quindi essere proposto ad un Distributore o ad una
Società di servizi energetici (ESCO, secondo l'acronimo inglese)
affinché lo utilizzi per richiedere titoli di efficienza energetica
(TEE). Così facendo si potrebbe ottenere un contributo finanziario
all’investimento proporzionale al valore di mercato dei TEE.
L’entità del contributo non può essere fissata in questa sede
perché va negoziata con il Distributore o la ESCO.
|
Contributo ottenibile
dal distributore o ESCO €/tep |
70 |
|
Contributo annuo
ottenibile a seguito dell'intervento €/a |
2.680 |
|
VAN che tiene conto dei
TEE acquisiti € |
142.500 |
|
Contributo ottenibile in
5 anni € |
13.400 |
|
Contributo in rapporto
all'investimento % |
78 |
Stazione di pompaggio 2 - Trasferimento acqua
dai pozzi di prelievo ad un serbatoio posto a quota +131 m.
Dati relativi alle
pompe:
|
Tipo |
centrifughe ad asse verticale |
|
Portata nominale |
12,2 l/s |
|
Prevalenza |
150 m |
|
Rendimento |
74,7 % |
|
Potenza richiesta |
30 kW |
Anche in questo caso i
consumi sono variabili durante l’arco dell’anno e la variazione
della portata è effettuata tramite valvola di regolazione. I
differenti regimi di portata nell’arco dell’anno possono ricondursi
a due, ognuno con un differente numero di ore/anno come riportato
nella tabella sottostante.
Tabella 5. Ore di
funzionamento in funzione della portata.
|
Utilizzazione |
Portata
l/s |
Potenza richiesta
kW |
Ore funzionamento
h/a |
|
bassa |
8 |
20 |
3147 |
|
alta |
10 |
22,3 |
1684 |
|
|
|
|
|
|
Totale |
|
|
4831 |
Figura 3. Portata in funzione delle ore anno
Anche in questo caso si è visto che le portate richieste possono
essere ottenute variando il numero dei giri del motore modificando
la frequenza di alimentazione come riportato nella tabella 6.
Tabella 6. Dati caratteristici delle pompe in funzione della
diversa frequenza di alimentazione.
|
Frequenza Hz
|
48,0 |
45,5 |
|
Portata l/s |
10 |
8 |
|
Ore di funzionamento h/a |
1.684 |
3.147 |
|
Velocità rotazione g/m |
2.780 |
2.640 |
|
Prevalenza m |
150,0 |
142,0 |
|
Potenza richiesta kW |
19,9 |
15,8 |
|
Rendimento motore elettrico % |
87,0 |
87,0 |
|
Potenza assorbita motore elettrico kW |
22,9 |
18,2 |
Si
può notare che variando la frequenza varia anche il numero di giri
del motore, la portata richiesta e la potenza assorbita.
Tabella
7. Energia risparmiata
|
Energia elettrica consumata prima
dell'intervento kWh/a |
114.205 |
|
Energia elettrica consumata dopo
l'intervento kWh/a |
100.714 |
|
Risparmio energetico annuo kWh/a |
13.491 |
|
Risparmio energetico % |
11,8 |
|
Costo energia elettrica €/kWh |
0,115 |
|
Risparmio economico €/a |
1.551 |
|
Risparmio energetico in energia
primaria tep/a |
2,97 |
Valutazione
economica
Per
questa applicazione abbiamo scelto di utilizzare un inverter della
potenza di 37 kW nella versione IP21. Il costo di un inverter di
questa taglia incluso il montaggio e accessori è pari a circa:
3.240 €
Il
tempo di ritorno dell’investimento è quindi pari a:
2,1 anni
Il
calcolo del VAN dell’investimento, considerando una vita
dell’investimento di 10 anni e un tasso di rendimento del 5%, è pari
a:
8.740 €
Di
seguito si riporta la curva di andamento del VAN in funzione degli
anni
Figura
4. Andamento del VAN dell’investimento
Decreti Efficienza Energetica
|
Contributo ottenibile dal Distributore o ESCO
€/tep |
70 |
|
Contributo annuo ottenibile a seguito
dell'intervento €/a |
237 |
|
VAN che tiene conto dei TEE € |
9.700 |
|
Contributo ottenibile in 5 anni € |
1.200 |
|
Contributo in rapporto all'investimento % |
37 |
|
|