CALCOLO DEL RISPARMIO ENERGETICO IN SEGUITO ALLA SOSTITUZIONE DI UN MOTORE CON UNO A PIÙ ALTA EFFICIENZA

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1 CALCOLO DEL RISPARMIO ENERGETICO IN SEGUITO ALLA SOSTITUZIONE DI UN MOTORE CON UNO A PIÙ ALTA EFFICIENZA Introduzione I motori a più alta efficienza hanno minori perdite rispetto a quelli tradizionali. Le perdite in un motore elettrico sono classificabili in: Perdite meccaniche, per attrito (nei cuscinetti e alle spazzole) e per ventilazione; Perdite nel ferro a vuoto (proporzionali al quadrato della tensione), costituite da perdite per isteresi consistenti nell energia dispersa nei cambi di direzione del flusso, e perdite per correnti parassite causate dalle correnti circolanti nel nucleo, indotte dalle variazioni di flusso. Perdite per effetto Joule (proporzionali al quadrato della corrente), negli avvolgimenti statori e rotorici. Nei motori ad alta efficienza queste perdite vengono ridotte intervenendo sui materiali e modificando alcuni elementi costruttivi quali: Nucleo, realizzato con lamierini a basse perdite che diminuiscono le perdite a vuoto; Sezione maggiorata dei conduttori dello statore e del rotore per ridurre le perdite per effetto Joule; Attenta scelta del numero di cave e della geometria delle stesse. Queste modifiche comportano una minore produzione di calore e di conseguenza l impiego di ventole di raffreddamento più piccole e quindi minori perdite meccaniche. Si possono quindi ottenere motori con rendimento migliore con una curva di rendimento più piatta cioè tale da garantire anche in caso di spostamenti del carico un rendimento sempre vicino a quello massimo. Calcolo dei costi di Investimento A titolo di esempio si è considerata la sostituzione di un motore asincrono di 10kW con uno a più alta efficienza. I costi che devono essere sostenuti sono: Costo di acquisto Costo di sostituzione Il costo di acquisto di un motore ad alta efficienza di 10kW, sulla base di una indagine di mercato, si può ipotizzare 35 /kw che corrispondono a 350 per motore. I costi di sostituzione, invece, posso variare a seconda che la sostituzione è effettuata da attività propria o da una ESCO. Nel caso di attività propria è l azienda stessa ad accollarsi tutto l investimento, per cui si auspicherebbe tempi brevi per l ammortamento. Le ESCO (Energy Service Company) sono società che realizzano interventi di risparmio energetico in maniera analoga agli enti distributori. I decreti ministeriali del 20 luglio 2004 hanno definito le regolo base per la promozione dell efficienza energetica negli usi finali. Gli obbiettivi di risparmio sono a carico dei distributori di energia elettrica o gas e delle ESCO. La certificazione del risparmio conseguito dà luogo al rilascio dei Titoli di Efficienza Energetica (TEE) o Certificati Bianchi. Quindi la ESCO si accolla l investimento iniziale, chiede i certificati bianchi alle autorità e si fa pagare il risparmio stimato oppure parte del risparmio (tempi di ammortamento più lunghi). In entrambi i casi occorre sostenere le seguenti spese: 1 ora impiegato per la procedura di acquisizione (15 /h) 2 ore personale tecnico (un elettricista ed un meccanico) (14 /h) Nel caso in cui la sostituzione viene effettuata da un attività propria i costi di sostituzione si limitano a quelli sopra elencati. 1

2 Nel caso in cui l investimento viene sostenuto da una ESCO bisogna considerare anche i seguenti costi aggiunti: 1 ora di personale qualificato per audit e fattibilità e specifica (40 /h) 1 ora di personale qualificato per la procedura di acquisizione dei certificati bianchi (40 /h). I costi complessivi per l investimento sono riassunti nella tabella 1. Tab.1 - Costi di acquisto e sostituzione di un motore con uno a più alta efficienza. [ ] Attività Interna ESCO Costo di acquisto motore Costo sostituzione Costo Totale Valutazione del risparmio energetico Il risparmio energetico annuale conseguibile in seguito alla sostituzione di un motore con uno a più alta efficienza energetica può essere determinato dalla formula (1). 1 1 ΔW = P C C h CU (1) eff2 eff1 dove : Δ W è il risparmio espresso in [kwh/anno]; P è la potenza (meccanica - dato di targa) del motore espressa in [kw]; h è il numero di ore dell attività produttiva [h/anno]; C c è un coefficiente adimensionale di carico del motore (0<C c <1) che rappresenta la percentuale rispetto al pieno carico alla quale lavora il motore; C u è un coefficiente adimensionale di utilizzo del motore (0<C u <1) che rappresenta la percentuale rispetto alle ore di lavoro dello stabilimento alla quale lavora il motore; eff 1 è il rendimento del motore ad alta efficienza; eff 2 è il rendimento del motore standard. Numero di ore anno dell attività produttiva In mancanza di dati ufficiali (INSTAT, Confindustria) sulle ore medie di lavorazione annuali per i diversi settori industriali e considerando le difficoltà di percorrere possibili soluzioni alternative (indagine ad hoc) si propone la determinazione del numero delle ore sulla base dei turni di lavoro che sono a queste direttamente correlati. Tale scelta se pur approssimativa ha il vantaggio dell estrema semplicità e di consentire una immediata verifica in caso di controllo. Possiamo considerare tre casi: 1 TURNO. In questo caso, di norma, le attività si svolgono otto ore giorno per cinque sei giorni la settimana. Cioè 20 o 25 giorni mese che corrispondono, considerate le fermate programmate, a 220 o 275 giorni anno. Cioè si va da un minimo di 1760 a un massimo di 2200 ore anno. Si è assunto il valore intermedio che corrisponde ad un totale di 2000 ore. 2 TURNI. In maniera analoga, per due turni, si va da un minimo di 3520 a un massimo di 4400 ore anno. Si è assunto il valore intermedio di 4000 ore anno. 3 TURNI. Nei tre turni normalmente non c è l interruzione della domenica e quindi i giorni lavorativi anno sono circa 320 per un totale di 7680 ore anno. Rendimento dei motori Riguardo ai rendimenti dei motori si deve osservare quanto segue: 2

3 1. il rendimento di un motore varia al variare del numero di poli, della potenza e, a parità di numero di poli e potenza, del carico; 2. la differenza tra rendimento di un motore ad alta efficienza ed uno standard diminuisce man mano che aumenta la potenza elettrica del motore; 3. nel 1999 il CEMEP (Comitato europeo costruttori macchine rotanti ed elettronica di potenza) e la Commissione Europea hanno definito le nuove classi di efficienza per i motori elettrici. Le classi di efficienza individuate sono la eff1, eff2, eff3 che si differenziano in funzione del rendimento (la eff1 è la migliore, la eff3 è la peggiore); 4. ogni casa costruttrice, nell ambito delle classi sopra citate, ha i suoi standard che sono diversi da quelli di un altra. Per il rendimento dei motori si sono fatte le seguenti ipotesi: Si è fatto riferimento a motori a quattro poli (questi motori sono quelli più diffusi); Il rendimento dei motori standard è stato considerato pari la minimo richiesto dalla classe di efficienza eff2 che praticamente coincide con il massimo della classe eff3; Il rendimento della motore ad alta efficienza è stato considerato pari al minimo richiesto dalla classe di efficienza eff Nel caso di un motore di 10kW la quantità vale circa 3,2%. eff2 eff1 Coefficiente di carico del motore Per vari motivi la potenza di un motore può essere più grande di quella effettivamente necessaria. Quindi non è raro che un motore lavori ad una frazione della sua potenza massima. Questo valore varia notevolmente da caso a caso, ma per valutazioni di risparmio energetico si propone di adottare un valore del coefficiente pari a 0,75. Coefficiente di utilizzo del motore All interno di uno stabilimento non tutti i motori vengono utilizzati per un numero di ore pari a quello di funzionamento delle stesso. Di norma tale numero è inferiore e dipende dal tipo di utilizzo. In generale esso può variare notevolmente, ma in questo caso si è considerato questo dato pari a 0,8. Risparmio Energetico Annuo Il risparmio energetico annuo valutato con la formula (1) nei tre casi con differenti turni di lavorazione viene riportato nella tabella 2. Ipotizzando un costo del kwh elettrico all utente finale di 0,15 cent/kwh si riportano anche i valori monetari. Tab. 2 - Risparmio energetico annuo conseguito in seguito alla sostituzione di un motore con uno a più alta efficienza. Risparmio energetico [kwh/anno] Risparmio economico [ /anno] 1 TURNO TURNI TURNI I risparmi restano gli stessi sia che la sostituzione è stata effettuata da attività propria che da una ESCO. Incentivi relativi ai Certificati Bianchi 3

4 L acquisizione di un certificato Bianco da parte del distributore o di una ESCO, permette di ricevere incentivi per cinque anni pari a 100 per ogni TEP/anno di energia primaria risparmiata. L unità di misura TEP (Tonnellata di Petrolio Equivalente) corrisponde a 41,86 GJ, od anche 10 milioni di kcal. E chiaro che per valutare l ammontare dell incentivo occorre riportare i kwh elettrici risparmiati ai TEP equivalenti. L equivalenza tra l energia elettrica risparmiata dall utente e i TEP dipende però molto dai processi di trasformazione dell energia primaria in energia elettrica, ovvero dipende dalle tipologie di centrali che sono installate nel nostro paese. Convenzionalmente in base al mix produttivo del italiano è stata stabilità la corrispondenza tra le due grandezze: 3 1TEP = 0,22 10 kwh da cui si possono valutare i TEP risparmiati e i relativi incentivi per i tre casi analizzati. Tab. 3 - TEP e incentivi annui realizzati in seguito alla sostituzione di un motore con uno a più alta efficienza. Risparmio energia primaria [TEP/anno] Incentivo economico [ /anno] 1 TURNO 0, TURNI 0, TURNI 0,3 30 La durata dei certificati bianchi è di cinque anni per cui gli incentivi termineranno dopo il quinto anni di vita del motore sostituito. Analisi costi benefici I costi vengono sostenuti al momento dell acquisto del nuovo motore, durante la vita utile gli eventuali costi di manutenzione non vengono considerati in quanto comunque sostenuti anche nel caso del vecchio motore. I benefici sono relativi ai risparmi energetici e agli incentivi annui ottenibili con i certificati bianchi. Il tasso di attualizzazione considerato è pari all 8% BENEFICI 1 TURNO 2 TURNI 3 TURNI anni Fig. 1 - Analisi costi benefici per la sostituzione di un motore con uno a più alta efficienza, effettuata da attività propria senza intervento della ESCO. 4

5 Nel caso di sostituzione del motore da parte di attività propria ovvero senza l intervento di una ESCO, i benefici derivano solo dal risparmio energetico annuo senza gli incentivi dei certificati bianchi. Nella figura 1 vengono riportate le cumulate dei costi e benefici attualizzate negli anni. Si osserva che nel caso di un turno l investimento si recupera dopo i dieci anni, nel caso di due turni dopo quattro mentre nel caso dei tre turni dopo due soli anni BENEFICI 1 TURNO 2 TURNI 3 TURNI Certificati Bianchi + Risparmio Risparmio anni Fig. 2 -Analisi costi benefici per la sostituzione di un motore con uno a più alta efficienza, effettuata da una ESCO. Nel caso di sostituzione del motore da parte di una ESCO, i tempi di recupero restano sostanzialmente gli stessi ma i benefici ottenibili una volta recuperato l investimento sono leggermente superiori. 5

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