La manutenzione per ridurre i costi dell aria compressa ed incrementare l efficienza degli impianti

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1 Maintenance Stories Fatti di Manutenzione Kilometro Rosso - Bergamo 13 novembre 2013 La manutenzione per ridurre i costi dell aria compressa ed incrementare l efficienza degli impianti Guido Belforte Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

2 L ARIA COMPRESSA NELL INDUSTRIA L aria compressa rappresenta una sorgente energetica disponibile comunemente in quasi tutte le industrie; I sistemi pneumatici costituiscono una tecnologia integrata nei sistemi automatici e meccatronici; I sistemi operanti con aria compressa sono soggetti alle stesse problematiche di manutenzione di tutti gli altri dispositivi, e devono garantire efficienza ed affidabilità.

3 STRUTTURA DEI SISTEMI AD ARIA COMPRESSA L impianto ad aria compressa dal punto di vista dell installazione L impianto ad aria compressa dal punto di vista dei flussi di aria

4 L IMPIANTO DELL ARIA COMPRESSA COME SISTEMA INTEGRATO L impianto dell aria compressa, fino agli utilizzatori finali costituisce un unico sistema, in cui l aria compressa viene prodotta, trasferita ed utilizzata. Le tre parti in cui si può ritenere suddiviso il sistema sono: Centrale di compressione; Linee di trasmissione; Circuiti e sistemi pneumatici di automazione. Troppo spesso le tre fasi sono progettate e gestite in modo indipendente tra loro (competenze diverse), senza una visione di insieme.

5 UNICITA DEL SISTEMA: GENERAZIONE, TRASMISSIONE, USO Elementi rilevanti per un corretto uso dell aria compressa ASPIRAZIONE D ARIA POTENZA MOTORI ELETTRICI GENERAZIONE CALORE COMPRESSIONE RENDIMENTI MECCANICI CADUTE DI PRESSIONE TRASMISSIONE FUGHE DI ARIA CALORE DI ESPANSIONE UTILIZZO FUGHE DI ARIA SCARICO D ARIA Gli aspetti energetici sono fondamentali, ma non sempre ne è chiaro il collegamento e l importanza

6 I COSTI DELL ARIA COMPRESSA: ELEMENTI DA CUI DIPENDONO Il costo dell aria compressa varia in funzione dei fattori che vengono considerati (solo costo di generazione o costo di generazione, manutenzione, costi di rete e perdite). Il costo dipende fortemente dalla pressione a cui viene effettuata la produzione di aria compressa. I costi sono influenzati dai rendimenti dei compressori utilizzati; tra un compressore efficiente e un compressore di vecchia concezione il costo può cambiare fino a cinque volte.

7 I COSTI DELL ARIA COMPRESSA: VALORI E CONDIZIONI I costi indicati si riferiscono alle seguenti condizioni: costo per 1 m 3 di aria standard (1 bar, 20 C); costo industriale dell energia pari a 0,11-0,12 /kwh. Costo indicativo di 1 m 3 (ANR) a 6 bar = 0,025 ; costo a 10 bar = 0,033, compreso costo generazione, manutenzione compresa rete, perdite. Costo indicativo di 1 m 3 (ANR) per la sola generazione (corrente elettrica e manutenzione ordinaria del compressore) pari a ,015.

8 LA POLITICA ENERGETICA NELLA UE: OBIETTIVO % produzione energie alternative 20% risparmio energetico 20% riduzione gas serra rispetto al 99 Entro il 2020 Il maggior risparmio energetico è stato individuato in alcuni settori: o Settore residenziale; otrasporti; o Industria. Il consumo di energia dell industria incide per circa il 20% del totale. L aria compressa incide con percentuali medie del 10-20% sul consumo industriale.

9 LA RICERCA PER L EFFICIENTAMENTO ENERGETICO L aumento dell efficienza di apparecchiature e impianti industriali diventa una priorità per i prossimi finanziamenti di ricerca dell Unione Europea. In passato sono stati privilegiati temi relativi ai beni strumentali, alla robotica, ai trasporti, poi l attenzione si è spostata all energia, con attenzione crescente all efficienza.

10 IL RUOLO DELLA ISO 50001: Energy Management La norma ISO è rivolta a realizzare un sistema efficace e sistematico di gestione dell energia, che consenta il continuo monitoraggio e miglioramento delle prestazioni. Si devono fissare obiettivi e sviluppare una politica per un uso efficace dell energia. Bisogna definire criteri, misurare i risultati e migliorare in modo continuo la gestione energetica. Revisione Politica energetica Pianificazione Verifica Implementazione

11 MANUTENZIONE ED EFFICIENZA ENERGETICA: UN CIRCOLO VIRTUOSO Una manutenzione efficiente è un fattore fondamentale per mantenere un alto livello di efficienza energetica. Negli impianti pneumatici la manutenzione aiuta a mantenere l efficacia dei filtri, a garantire un buon uso delle tenute e degli elementi striscianti, a ridurre imprevisti e interventi. Un sistema con buona efficienza energetica è un sistema intelligente che riduce interventi e costi di manutenzione. Manutenzione ed efficienza energetica producono un circolo virtuoso.

12 REQUISITI DEL SISTEMA PER UNA BUONA EFFICIENZA la generazione ed il trattamento dell aria nella centrale di produzione deve avvenire in funzione delle esigenze del suo utilizzo (limitare la pressione se possibile); la trasmissione dell aria compressa deve avvenire nel modo più efficiente possibile (evitare perdite e limitare le cadute di pressione); l uso nei sistemi pneumatici deve avvenire con riguardo a condizioni di efficacia e di efficienza del macchinario.

13 L USO SAPIENTE DELLA PRESSIONE Produrre aria compressa con il minimo valore di pressione strettamente necessario (passando da 7 a 6 bar si risparmia circa l 8%). Aspirare l aria di ingresso al compressore a temperatura bassa (1% di risparmio ogni 3 C in meno). Usare compressori efficienti e curare la manutenzione. Energia assorbita per produrre 1 dm 3 di aria in funzione del rapporto di compressione.

14 IL RECUPERO ENERGETICO NEI COMPRESSORI Con il recupero energetico il costo dell aria compressa può scendere fino a 0,015 /m 3. Il calore prodotto nei compressori può essere recuperato con adeguati sistemi di scambio termico per riscaldare l aria ambiente o acqua per uso sanitario. Questo tipo di recupero può portare a recuperare oltre il 90% dell energia spesa nella compressione.

15 L EFFICIENZA NELLE LINEE DI DISTRIBUZIONE La linee di distribuzione devono essere progettate, costruite e gestite con l obiettivo di: minimizzare le perdite di pressione, al fine di operare con la più bassa pressione di compressione possibile (valore consigliato 3% della pressione del compressore); evitare le fughe di aria; essere predisposte per future modifiche (reti modulari). A tal fine occorre: usare diametri adeguati per le tubazioni; minimizzare la lunghezza della rete ed usare reti ad anello;. evitare cambi bruschi di diametro; usare tubi lisci; isolare le parti di rete non usate, escludendole con valvole automatiche.

16 LA MANUTENZIONE NELLE LINEE DI DISTRIBUZIONE L uso di tubazioni efficienti, realizzate con materiali che non introducono elementi inquinanti nell aria compressa, facilita la manutenzione degli impianti. La predisposizione di un monitoraggio e di una manutenzione attenta allo stato dei filtri presenti sulle linee garantisce costantemente la qualità dell aria richiesta. Il controllo periodico delle fughe evita inutili perdite e spese.

17 COSTO DELLE FUGHE Fori anche piccoli provocano fughe significative Con costo medio di /m 3 (ANR), la fuga da un foro di 1 mm costa /ora, pari a su 2000 h di lavoro. DIAMETRO [mm] PORTATA [m 3 /h (ANR)] 1 4,5 3 40, , ,2 Portate teoriche con pressione relativa in rete di 7 bar Per un funzionamento continuo (24 h/giorno, 315 giorni/anno, 7560 ore) il costo dell aria persa da un foro di 1 mm è di

18 L IMPORTANZA DI UNA RETE DI DISTRIBUZIONE CORRETTA L importanza di una buona rete è collegata a: Eliminazione delle perdite, usando moderni sistemi di tenuta; Corretto dimensionamento dei diametri; Uso di reti ad anello; Uso di materiali a basso attrito.

19 IL CASO DS SMITH: UN ESEMPIO DI «ENERGY SAVING» Compressori Prima n.2 da 57 kw n.1 da 16 kw Rete Collettore 2"; rete 2½" Struttura ad albero Dopo Portata media dm 3 /s (ANR) Caduta di pressione bar 1 sala compressori; 2 in linea, punto peggiore. n.2 da 57 kw Consumo energia in 1 anno Costo pagato in denaro Collettore 80mm (3"); rete 63mm (2½"). Anello chiuso 0,22 (3% della pressione dei compressori) Pressione relativa di lavoro dei compressori: 7,5 bar

20 VANTAGGI DELLA NUOVA SOLUZIONE Tra vecchia e nuova soluzione la portata misurata è diminuita di 68 dm 3 /s pari a 244,8 m 3 /h; la riduzione è superiore al 30%; Il risparmio di energia spesa è di kwh, con una riduzione di circa il 20%; Il costo risparmiato è di , con una riduzione di circa il 20%.

21 EVOLUZIONI E TENDENZE NEL SETTORE DELL ARIA COMPRESSA Sviluppo di reti di distribuzione intelligenti; Esteso uso di materiali nobili per garantire aria sempre pulita; Incremento del recupero energetico e miglioramento dell efficienza. Generazione separata dell aria compressa su specifici macchinari.

22 LE RETI INTELLIGENTI L uso di sensori collocati sulle linee di distribuzione e nei punti di utilizzo consente di monitorare gli impianti, controllandone il funzionamento e aiutando la gestione della manutenzione. I sensori di pressione controllano che i sistemi operino con la pressione corretta. Sensori di portata monitorano i flussi per verificarne l andamento nel tempo e intervenire nel caso di fughe improvvise. Sensori differenziali controllano lo stato di efficienza dei filtri. L insieme dei sensori può essere gestito da un unico sistema di supervisione.

23 L USO DI MATERIALI NOBILI L uso di materiali che garantiscano una distribuzione di aria sempre pulita è una esigenza crescente, anche con riferimento all uso nei settori alimentare, farmaceutico, elettronico, tessile, ecc. Tubazioni e impianti devono prevedere uno smontaggio predisposto per il riciclaggio dei materiali a fine ciclo della vita degli impianti.

24 EFFICIENTAMENTO ENERGETICO NEI CIRCUITI PNEUMATICI L incremento dell efficienza nei circuiti pneumatici passa attraverso un corretto dimensionamento degli attuatori e una attenta progettazione. Sistemi a recupero energetico potranno concorrere a ridurre i consumi di aria compressa.

25 GENERAZIONE SEPARATA DELL ARIA COMPRESSA Produrre aria compressa con compressori dedicati a specifici macchinari consente di garantire la perfetta pulizia dell aria richiesta, affidando allo stesso costruttore del macchinario la generazione dell aria. Le linee di distribuzione dell aria diventano elemento strutturale del macchinario e serbatoi dello stesso impianto.

26 RACCOMANDAZIONI Compressore: ridurre il livello di pressione, effettuare recuperi energetici; Linee di distribuzione: ridurre le cadute di pressione, eliminare le fughe, razionalizzare le linee, dimensionare in modo corretto i tubi; Circuiti pneumatici: dimensionare correttamente gli attuatori, ridurre gli attriti, eliminare le fughe, usare sistemi di risparmio e di recupero energetico, disattivare le apparecchiature quando non lavorano. Per tutti i sistemi: fare una manutenzione puntuale e costante, monitorare i sistemi con adeguati sensori.

27 CONCLUSIONI La norma ISO Energy Management e la politica energetica della UE richiedono una grande attenzione all efficientamento energetico di apparecchiature e impianti. Per una buona gestione l intero sistema dell aria compressa (generazione, reti, utenti) vanno visti come un unico sistema integrato. Il monitoraggio dei parametri delle reti dell aria mediante reti intelligenti aiuta il contenimento dei consumi energetici. La manutenzione può contribuire in modo determinante al buon funzionamento e all efficienza degli impianti pneumatici, prevenendo fughe e mantenendo l efficacia della apparecchiature.