L efficienza energetica delle macchine utensili: introduzione e aspetti di misura dell energia delle macchine utensili

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1 Convegno qualità, sicurezza e ambiente BIMU 2014 L efficienza energetica delle macchine utensili: introduzione e aspetti di misura dell energia delle macchine utensili Giacomo Bianchi Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione Consiglio Nazionale delle Ricerche Enrico Annacondia Direzione Tecnica UCIMU-SISTEMI PER PRODURRE STANIMUC 3 ottobre 2014

2 Indice motivazione per l ottimizzazione dell efficienza energetica iniziative legislative e trend industriali la norma ISO Machine tools Environmental evaluation of machine tools la Self Regulatory Measure di CECIMO la Blue Philosophy UCIMU NOTA: l ing. Annacondia, che non ha potuto essere presente oggi, ha predisposto un esaustiva presentazione sulla normativa che tratta dell impatto ambientale delle macchine utensili e sistemi produttivi, più in generale. La trovate negli atti del convengo.

3 Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione ITIA è un Istituto del Consiglio Nazionale delle Ricerche, che svolge, promuove, diffonde attività di ricerca a supporto dello sviluppo scientifico, tecnologico, economico e sociale del settore manifatturiero. Esegue attività di ricerca applicata su tecnologie abilitanti, processi e prodotti, integrati a livello di fabbrica. ITIA ha ispirato la creazione della piattaforma europea ManuFuture ed è membro fondatore della Associazione Europea per le Fabbriche del Futuro (EFFRA), dei Cluster Nazionale e Regionale Fabbrica Intelligente. attività progetti europei (EC FPs) 24 progetti nazionali 7 progetti regionali 7 contratti industriali 6 ITIA coordina 3 progetti EC del 7FP LECCO personale: 100 ricercatori MILANO VIGEVANO attività: progetti di ricerca contratti industriali servizi e consulenze formazione BARI

4 Energia: il quadro generale E ancora in fase da Exxon Mobil: Scenari energetici al 2014 Pacchetto , entro il 2020 (rispetto al 1990): -20%, le emissioni di gas serra derivanti dal consumo di energia nell UE 27; > 20% di energia da fonti rinnovabili; > 10% per i biocarburanti nel totale dei consumi per autotrazione; -20% l efficienza energetica (rispetto alle proiezioni per il 2020) Il 5 febbraio 2014 il parlamento europeo ha votato una risoluzione per sostenere un triplice obiettivo vincolante al 2030: 40% di riduzione dei gas serra, 30% di energia da rinnovabili, 40% di riduzione dei consumi (efficienza energetica).

5 Norma ISO & Direttive Europee Norme ISO (sistema di gestione ambientale) (sistema di gestione energetico), Altre norme della serie (etichette e dichiarazioni ambientali) (Life Cycle Assesment) 14064:2006 ( quantificazione e rendicontazione delle emissioni di gas serra) Linee Guida ISO (responsabilità sociale d impresa) (linee guida sui principi dell'attività di audit per ISO 9001 e 14001) (organizzazione sostenibile di eventi) [E. Annacondia]

6 Alcune direttive della Comunità Europea sul tema sostenibilità Direttiva 2002/96/CE sui rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche (WEEE) è volta a prevenire e limitare il flusso di rifiuti di apparecchiature destinati alle discariche, attraverso politiche di riuso e riciclaggio degli apparecchi e dei loro componenti. Regolamento REACH - entrato in vigore il 1 giugno 2007 con l obiettivo di razionalizzare e migliorare il precedente quadro legislativo in materia di sostanze chimiche dell'unione Europea. ECOLABEL - è l etichettatura ecologica definita dalla Comunità Europea ed attualmente normata dal Regolamento (CE) 1980/2000. Essa rappresenta uno strumento di certificazione volontaria, che garantisce al consumatore determinate prestazioni ambientali in termini di impatti ambientali del prodotto/servizio, valutati con un opportuna azione basata sulla metodologia LCA. Regolamento della Commissione (CE) 640 / specifica i requisiti in materia di progettazione ecocompatibile per i motori elettrici trifase. [E. Annacondia]

7 Impieghi finali di energia per settore (%) in Italia, anno 2012 Energia e manifatturiero Il manifatturiero ha un ruolo importante. Spesso il consumo di energia non è stato ottimizzato nella definizione dell impianto: farlo può facilmente portare a risparmi significativi

8 Drivers per l efficienza energetica dei macchinari per ridurre i costi di esercizio del cliente, anche a fronte di un aumento del costo di investimento (ma qual è la sensibilità per il Total Cost of Ownership?? spinta al monitoraggio). Quanto impatta il costo energia? perché il cliente deve dimostrare che riduce l impatto ambientale del suo prodotto (es. automobile), a partire dalla sua costruzione come fattore di marketing ( azienda verde ) perché richiesto da regolamenti attuali o incombenti

9 Incentivi all efficienza energetica: un esempio La Kreditanstalt für Wiederaufbau, una banca pubblica tedesca (80% governo federale, 20% Länder), propone mutui agevolati per macchine ad alta efficienza: Particularly in difficult economic times, energy efficiency can make an important contribution to reducing the fixed costs of an enterprise. In order for small and medium-sized enterprises to be able to sustain such investments too, we give particular support to SMEs in the form of low interest rates for loans and grants for energy advice. whom: German and non-german enterprises, joint ventures. what: for investments in and outside Germany that achieve substantial energy-saving effects. Outside the EU, the share provided by the German partner will be financed. replacement investments must lead to energy end-use saving s of at least 20% on the basis of the average consumption of the previous 3 years. new investments must achieve energy savings of at least 15 per cent compared with the industry average.

10 Potenziale di miglioramento: un esempio evidente stand-by tutto fermo stand-by: 25-30% del consumo energetico totale oggi esistono soluzioni per ridurre il consumo: modalità stand-by, azionamenti olio con regolatori di p/q sulle pompe per la regolazione primaria, ottimizzazione sistemi di raffreddamento del fluido di lavoro

11 power [kw] Energia = potenza x tempo: come vengono usate le macchine? fresatura di grandi pezzi: ciclo di test, su due giorni, due turni idle total spindle Il progettista normalmente si concentra sulle condizioni di utilizzo più gravose, ma ciò può portare a risultati non ottimali dal punto di vista energetico time [hours] energia assorbita dal mandrino: 49 kwh; energia rigenerata dal mandrino: 1.2 kwh (picchi di potenza: meglio ridurre l accelerazione mandrino?) idle spindle working 35% machine idle 34% machine (spindle working) 48% machine(idle) 6% machine (no spindle) 34% TEMPI active, no spindle 32% spindle 12% ENERGIE

12 07/05 10/ /09 01/10 05/10 04/ today 2016? Efficienza energetica nei sistemi di produzione: attività di normazione e standardizzazione Energy using Products Directive EuP Working plan Cecimo Self Regulatory Initiative Ecodesign Directive EuP preliminary study on MT Fraunhofer (metal and wood working machine tools as well as for welding, soldering and brazing equip.) ISO TC 39 WG (14955): Environmental evaluation of machine tools (metal cutting and metal forming) ISO Approved ISO Committee Draft EuP Implementing Measure / SRI activated? eur-lex.europa.eu eur-lex.europa.eu/lexuriserv/lexuriserv.do?uri= COM:2008:0660:FIN:en:PDF eur-lex.europa.eu html?commid=48354 end of preliminary study

13 Valutazione Energetica di Macchinari Una Valutazione Energetica (cfr. ISO 50001), sperimentale o per simulazione, deve rispondere alle seguenti domande: che energia è utilizzata dalla macchina dove viene utilizzata nella macchina (cioè in che componenti e sottosistemi) quando viene utilizzata, durante il ciclo produttivo perché che energia è richiesta dalle varie funzioni della macchina (per es. movimento, controllo della temperatura, processo di taglio, movimentazione pezzi,...) Per rispondere a queste richieste, è necessario: misurare/stimare l evoluzione nel tempo della potenza totale utilizzata dalla macchine durante il ciclo di prova misurare/stimare la potenza utilizzata dai componenti/sottosistemi più significativi caratterizzare la produzione della macchina, per valutare un efficienza energetica (Nr. pezzi/energia)

14 ambito della ISO 14955: macchine utensili e energia This standard is the application of eco-design standards to machine tools, mainly for metal working numerically controlled (NC) machine tools. (it will also cover woodworking machines) machine tool definition (see the wide MT definition in the EuP Preliminary Study): mechanical device which is fixed (i.e. not mobile) and powered (typically by electricity and compressed air), typically used to fabricate metal components by the selective removal or mechanical deformation. [Other machine tools e.g. laser cutting machine tools, material additive machine tools, are currently not covered by informative annexes] This standard addresses the energy efficiency of machine tools during the use stage, i.e. the working life of the machine tool. Environmental relevant stages other than the use stage and other relevant impacts than energy supplied to machine tools are not within the scope of this standard and need a special treatment, e.g. according to ISO/TR 14062:

15 Funzioni primarie e secondarie della macchina Generalized machine tool functions (1 st level functions) Sub functions (2 nd level functions) [ISO 14955] Machine operation (machining process, motion and control) Process conditioning and cooling Workpiece handling Tool handling, or die change Recyclables and waste handling Machining process Motion Control Process conditioning Process cooling Tool change Tool storage La norma propone di considerare aggregare il consumo secondo queste Funzioni per stimolare modifiche funzionali (per es. passare a lavorazioni a secco) e non solo mirate a migliorare il singolo componente. La norma parte 1 riporta in appendice elenchi di Potential improvements ordinati per Funzione. Machine cooling/heating Machine cooling Machine heating

16 Allocazione dell energia utilizzata dai Componenti alle Funzioni Specific turning machine Machine operation (machining process, motion and control) Process conditioning and cooling Workpiece handling Tool handling, or die change Recyclables and waste handling Machine cooling/heating [ISO 14955] 24 V supply 230V supply E/R module supply Monitoring module CNC Total Chip conveyor Mist collector Hydraulic system Fluid system Spindle cooling pump Cooling fan Fan E/R module 100% 80% 100% 100% 100% 50% 10% 80% 20% 10% 100% 100% 25% 25% 100% 100% 100% La norma prescrive di compilare una tabella che indichi quanto ogni componente lavori per le varie Funzioni. Di solito si utilizza una stima approssimativa delle %, che comunque ha poca influenza sulla valutazione complessiva. CNC air-conditioning 100% Air compressor 75% 25%

17 electrical energy X Misura dei flussi di potenza tutte le energie vanno trasformate in kwh Electrical energy Measuring point i Compressed Air Supply = constant losses Compressed air [ISO ] Machine tool la valutazione energetica deve considerare tutti i flussi di potenza rilevanti, a livello macchina ed impianto, richiesti per il ciclo produttivo

18 Consumo dei componenti rispetto alle funzioni 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Machine Opera on Process C+C Part Handling Tool Handling Waste Handling Machine Cooling bilancio energetico a livello Funzionale mappatura del consumo dei Componenti sulle Funzioni Macchina misura della potenza: a livello di Componenti miglioramenti di progetto: modificare i requiresiti funzionali (per es. e.g. adopt dry cutting) dimensionamento ottimale (per es. pompa ottimale per il circuito idraulico) componenti più efficienti (per es. motori elettrici più efficienti) 19

19 I consumatori in una fresatrice: un esempio test trajectory: dissipated energy - % machine in stand-by X axis Y axis Z axis spindle working chillers 13% 0% 3% 0% 9% consumo di energia in un ciclo test simile ad una lavorazione di finitura: rilevanza del consumobase. 75% per le tipologie di macchine esaminate (con motori rotativi e lineari), in fase di finitura è fondamentale considerare il consumo degli organi ausiliari, a partire dallo stato di attesa pezzo (!!). Utili strategie di stand-by specifiche. power absorbed by a machine tool in stand-by (%) power drives AR Spindle chiller (stand-by) Axis chiller (stand-by) hydraulic power unit PLC Num Contr Lights, rest of electrical cabinet 2% 1% 11% 23% 15% 16% 32%

20 Design Guidelines: come migliorare l efficienza energetica eliminare o rilassare alcuni requisiti funzionali (per es. sul fluido da taglio, aria compressa, controllo termico della macchina, accelerazione, ) concezione complessiva della macchina (per es. strutture più leggere, azionamenti idraulici o elettrici?) dimensionamento ottimo dei componenti (per es. pompa e circuito idraulico, motori assi, getti d aria per la pulizia, ) (evitare sovradimensionamento, cercando il giusto compromesso con la standardizzazione aziendale) scegliere componenti più efficienti (per es. motori elettrici, pompe, ) adottare strategie di controllo a livello macchina ed impianto che considerino il consumo energetico (per es. velocità di lavorazione ottimale, accelerazioni, gestione degli stand-by, ) informare l utente sul consumo energetico, per aumentare la sua consapevolezza, suggerire parametri di processo migliorativi Le appendici A e B della parte 1 elencano Potential Improvements rispettivamente per le macchine ad asportazione e a deformazione

21 ISO : indice complessivo dei Potential Improvements No. Requirements on 1 Overall machine concept 2 Drive units 3 Hydraulic systems 4 Pneumatic systems 5 Electric systems 6 Cooling lubrication system 7 Cooling system 8 Peripheral devices 9 Guidance for energy efficient use 10 Control systems [ISO ]

22 Potential Improvements: concezione complessiva di macchina part 1: well tried design principles for machine components, control components and combinations of machine components for energy-efficient metal cutting machine tools

23 Potential Improvements: drive units part 1: well tried design principles for machine components, control components and combinations of machine components for energy-efficient metal cutting machine tools

24 Il caso di una fresatrice: efficientamento energetico energy saved ECO-MACHINE: energia usata nel ciclo di test [kwh]

25 Definizione dei cicli di test esigenze (soliti compromessi ): prove ripetibili (limitare l effetto di variazioni incontrollate dovute all usura e alla morfologia dell utensile, specifico materiale del pezzo, ) caratterizzare la macchina: il ciclo di test deve sollecitare tutte le funzioni rilevanti della macchina stimare l efficeinza energetica per il cliente specifico: lavorazione del pezzo cliente con il suo ciclo di lavoro cheap and fast: poche prove, strumentazione semplice (più difficile per le macchine a deformazione ) prove effettuabili su una macchina completa, in condizioni operative, senza richiedere preparazioni particolari applicabili ad una vasta gamma di macchine direzioni di sviluppo ISO part 3&4 (appena avviate): per MU d asportazione si vuole minimizzare le prove di taglio (movimentazioni a vuoto, ) per MU a deformazione verranno proposti cicli di lavoro simulati, senza stampo

26 ISO Part 3: Test pieces / test procedures and parameters for metal cutting machine tools the part that will be produced on the machine tool is known (individually defined between builder and user) operating conditions are known only valid for mass production amount of energy needed to produce one part (energy per part) measurements can be easily done during the machine capabilty study (according to ISO 26303)

27 ISO Part 4: Test pieces / test procedures and parameters for metal forming machine tools si vuole evitare che i risultato dipenda dallo specifico stampo utilizzato. lo stampo spesso non è ancora costruito quando viene scelta la pressa è facile simulare un predefinito ciclo pressione / corsa

28 Remarks on the CECIMO Self Regulatory Measure Outcomes of May 2014 Forum on the Ecodesign Consultation for Lot 5 products (Machine Tools MT - and related machinery): MTs are much more complex than any other products dealt so far under Ecodesign Directive Lack of relevant data set on various Energy Efficiency aspects for MTs High market coverage obligation (80% according to VA Guidelines currently under revision) Lack of market surveillance Lack of incentives for companies (to invest in energy efficient solutions) or for customers (who would like to invest in the energy efficient MTs) 29

29 CECIMO Self Regulatory Measure: next steps (estimated!) DG Enterprise will its Impact Assessment and Policy Option, to be evaluated by the Impact Assessment Board (aimed for early 2015) Then two alternatives: SRM for the metal-working MTs: possible endorsement in 2015 Implementing Measures (per sector, e.g. welding): possible adoption in Q (establishment of Implementing Measures will require various stages: WTO notification, consultation with the European Parliament etc.) per poter apporre il marchio CE (Direttiva Macchine), sarà necessario soddisfare anche i requisiti di efficienza energetica. 30

30 La Blue Philosophy Rappresenta il nuovo corso del noto MARCHIO UCIMU Simboleggia l attenzione dei produttori italiani di macchine utensili per il tema della sostenibilità Nelle sue tre declinazioni economica sociale ambientale

31 per concludere L Impatto Ambientale sta rapidamente diventando un importante fattore competitivo, ma non tutti cercano di sfruttarlo In un paio d anni i regolamenti europei richiederanno l eco-design di molti prodotti, tra cui le macchine utensili Bastano poche misure per identificare gli elementi che principalmente concorrono al consumo della macchina in produzione Tipicamente il maggior potenziale di risparmio si ha nelle condizioni di carico parziale (gestione attese, stand-by) e nei sovra-dimensionamenti Alcune strategie portano ad ottimizzazioni già effettuate dai costruttori ed utilizzatori (ridurre le inerzie, ridurre le forze di taglio) Molte soluzioni tecniche sono già disponibili, è necessario sviluppare conoscenze e strumenti per ottimizzare il Total Cost of Ownership della macchina e dell impianto Grazie per l attenzione e contattateci per approfondimenti ed applicazioni!

32 from research. to market Grazie per l attenzione e contattateci per approfondimenti ed applicazioni! giacomo.bianchi@itia.cnr.it ing. Enrico Annacondia segreteria.generale@stanimuc.it