Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni

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2 Sommario Introduzione Teoria Approccio (alcune osservazioni) Componenti principali Portata d aria Usi inappropriati Perdite Parametri che influenzano i consumi Esercizi Caso Studio Conclusioni 2

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4 L aria è gratis ma l aria compressa no! L aria compressa comporta dei costi che non vengono sempre presi in considerazione L efficienza energetica di molti impianti ad aria compressa è bassa 4

5 CAUSA DEI COSTI ELEVATI Costi dell energia elettrica Perdite Manutenzione Modifiche impiantistiche Il costo dell energia elettrica raggiunge il 73% dei costi totali durante la vita di un sistema ad aria compressa. 5

6 Causa dei consumi eccessivi Eccessi di consumi dovuti a problemi tecnici: Uso di motori elettrici vecchi e con bassa efficienza Sistema di distribuzione dell aria non ottimali Elevate perdite Aspirazione di aria calda Eccessi di consumi dovuti a problemi comportamentali: Uso di pressioni troppo alte Compressori azionati quando non necessario Usi impropri dell aria compressa 6

7 L ottimizzazione dei sistemi ad aria compressa produrrebbe risparmi fino al 35% 7

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9 Approccio (alcune osservazioni) 1. Identificare portata e pressione necessarie alle macchine utilizzatrici 2. Localizzare correttamente ogni macchina operatrice 3. Localizzare correttamente la sala compressioni (o la posizione dei compressori) 9

10 COMPONENTI PRINCIPALI 1. Filtro di aspirazione 2. Compressore (motore + pannello controllo) 3. Trattamento aria (separatore dell olio, essiccatore, filtro) 4. Serbatoio di stoccaggio 5. Rete di distribuzione Fonte: Improving air system performance DoE - Energy Efficiency and Renewable Energy 10

11 Portata d aria La portata d aria ha un impatto diretto sui consumi. La portata dipende dalle richieste delle macchine utilizzatrici. Dunque, devono essere evitati: - usi inappropriati - perdite 11

12 Usi inappropriati Ventilazione Ventilatori; Soffianti Mescolamento di liquidi Agitatori meccanici Pulizia Spazzole elettriche Rimozione di prodotti difettosi dalla linea Braccio meccanico Trasporto a bassa pressione di polveri Soffiante 12

13 PERDITE Se superiori al 5%, sono necessarie azioni correttive!! Come valutare le perdite? Utilizzo di attrezzature specifiche Stima dei consumi 13

14 Parametri che influenzano i consumi L Lavoro M Portata massica di aria R Costante universale dei gas T 1 Temperatura di aspirazione dell aria ( K) β Rapporto fra pressione di compressione finale e iniziale m Esponente della trasformazione 14

15 Parametri che influenzano i consumi Pressione massima Scelta di un livello appropriato La pressione operativa di un compressore influenza direttamente il consumo di potenza e il consumo di energia. L aumento di 1 bar della pression di produzione dell aria comporta un aumento del 7% dell energia consumata Se il processo richiede due livelli di pressione è bene valutare l istallazione di due compressori, anziché di uno solo (piuttosto che utilizzare valvole di laminazione per abbassare la pressione dal valore massimo al valore minimo di utilizzo) 15

16 Parametri che influenzano i consumi Cadute di pressione La caduta di pressione comporta aumento dei costi operativi L adozione di piccoli diametri comporta bassi costi d istallazione, maggiori perdite e quindi maggiori costi operativi La caduta di pressione di un impianto di distribuzione di aria compressa non dovrebbe mai superare 0,1 bar La finitura superficiale dei tubi influenza le perdite di carico La caduta di pressione del sistema di distribuzione di aria compressa non dovrebbe mai superare 0,1 bar 16

17 Parametri che influenzano i consumi Tipi di trasformazione Il minor consumo di energia si ha nel caso di trasformazione isotermica m=1 Il consumo più alto si ha nel caso di trasformazione adiabatica m=1,4 Durante la compressione sarebbe bene avere una trasformazione che si avvicina il più possibile a un isotermica Il calore rimosso può essere valorizzato Solo il 10% dell elettricità consumata di trasforma in energia utile per la compressione dell aria Il 90% dell elettricità consumata è convertita in calore che deve essere rimosso, ma che potrebbe essere riutilizzato (riscaldamento ambienti, preriscaldamento aria di combustione, ) 17

18 Parametri che influenzano i consumi Temperatura in aspirazione L energia consumata in un compressore aumenta, all aumentare della temperatura dell aria in ingresso: La temperatura dell aria in ingresso deve essere la più bassa possibile, compatibilmente con le condizioni ambientali L aria in aspirazione dovrebbe essere prelevata dall esterno, piuttosto che da un altro locale La presa di aspirazione del compressore dovrebbe essere orientata a nord, in posizione protetta 18

19 Parametri che influenzano i consumi Qualità dell aria La qualità dell aria deve essere adattata ai fabbisogni dell utenza di consumo La qualità dell aria ha un costo elevato La qualità dell aria dipende dalle impurezze contenute: Particolato Acqua (espressa in temperatura del punto di rugiada relativo alla pressione di esercizio) Olio (misura) Materiale con cui è realizzata la rete di distribuzione 19

20 Parametri che influenzano i consumi Qualità dell aria Il particolato può essere rimosso dai filtri d ingresso L olio può essere rimosso dai filtri o alla sorgente, usando compressori privi d olio Le due soluzioni potrebbero essere valutate in funzione dei differenti costi L adozione di compressori oil free comporta un aumento dei costo d installazione L adozione di filtri comporta un aumento dei costi di manutenzione I filtri devono essere manutenzionati periodicamente L acqua di origina dal vapore contenuto nell atmosfera. La rimozione dell acqua può essere realizzata con: - Un impianto frigorifero centralizzato - Delle trappole a vapore locali La refrigerazione è più efficiente, ma più costosa, dal punto di vista dell esercizio. Le trappole a vapore hanno basso costo d istallazione, ma richiedono manutenzione frequente, ma non portano perdite d aria. 20

21 Parametri che influenzano i consumi Sistemi di regolazione 1. Start stop (potenza 5-10 kw) 2. Running load - idling - stop (power> 10 kw) 3. Controllo di velocità del motore I sistemi di regolazione sono influenzati da: Sovradimensionamento del compressore Controllo di velocità del compressore Presenza di serbatoi di accumulo 21

22 Parametri che influenzano i consumi Serbatoi di accumulo Vanno incontro alla domanda di aria compressa Permettono una maggior stabilità del livello di pressione della rete Riducono gli «avviamenti-arresti» del motore Consentono un sottodimensionamento del compressore rispetto alla richiesta di punta Si può valutare l opzione di installare dei serbatoi ausiliari vicino a utenze isolate e/o ad alta intermittenza Dimensionamento del serbatoio di accumulo La dimensione del serbatoio dipende dall ampiezza delle oscillazioni del fabbisogno d aria La dimensione dovrebbe essere almeno 10 volte il volume di aria prodotta dal compressore (l/s) La dimensione del serbatoio è legata alle «dimensioni» del compressore 22

23 Parametri che influenzano i consumi Compressore e sistemi di controllo Non sovradimensionare il compressore Serbatoio di accumulo Controllo nella velocità Tipo di compressore Motore ad alta efficienza 23

24 Parametri che influenzano i consumi Come maneggiare i sistemi ad aria a compressa Valutare il costo dell aria compressa Acquisizione dei dati sul consumo di elettricità Posso fare misurazioni speciali? (Costi elevati, maggiore accuratezza) Posso i usare i dati disponibili? (Bassi costi, bassa precisione) 24

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26 RIDUZIONE DELLE PERDITE Qual è l effetto di un buco di 10 mm in una rete di aria compressa (a 7 bar di pressione)? a.fino a 10 kw di potenza persa b.fino a 40 kw di potenza persa 26

27 RIDUZIONE DELLE PERDITE BUCO (mm) Portata a 7bar (l/s) Potenza persa (kw) 1 1,2 0,4 3 11, ,

28 MOTORI AD ALTA EFFICIENZA Quanto si può risparmiare sostituendo un motore standard con un motore ad alta efficienza? a. Fino all 1% dei consumi b. Fino al 5% dei consumi 28

29 MOTORI AD ALTA EFFICIENZA Potenza [kw] 29

30 RIDUZIONE DELLE TEMPERATURA DI INGRESSO DELL ARIA Quanta energia si può risparmiare mediante abbassamento della temperatura dell aria in ingresso di 5 C? a. Fino al 2% b. Fino al 10% 30

31 RIDUZIONE DELLE TEMPERATURA DI INGRESSO DELL ARIA La letteratura tecnica riporta che una riduzione di 5 C della temperatura dell aria in ingresso al compressore (rispetto alla temperatura usuale) permetterebbe risparmi del 2% dell energia consumata in un anno. 31

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33 Esempio pratico: Porsche Descrizione: Nel 1997, il sistema di produzione di aria compressa dello «Stabilimento 2» della ditta F. Porsche vicino Stoccarda, era costituito da un compressore a vite, raffreddato ad acqua (22,2 m 3 /min) più quattro compressori alternativi raffreddati ad acqua da 15 m 3 /min ciascuno. La massima pressione operativa era 8,7 bar. Un analisi del sistema ad aria compressa rilevò che la domanda di aria compressa variava fra 15 e 65 m 3 /min. Processando tutti i dati rilevanti è stato definito un nuovo sistema ad aria compressa con ottimizzazione dei consumi energetici. 33

34 Azioni eseguite: Il nuovo sistema prevedeva due stadi di compressione e l adozione di soli compressori a vite. Il carico di picco veniva soddisfatto con tre compressori da 5,62 m 3 /min ciascuno, mentre la domanda di base era assicurata da quattro compressori da 16,4 m 3 /min ciascuno. Tutti e sette i compressori sono gestiti da un sistema centralizzato di controllo. 34

35 Risultati L ottimizzazione del sistema ad aria compressa consentì di calcolare i costo dell energia e quantificarne i risparmi. La pressione operativa fu abbassata da 8,5 a 7,5 bar e la potenza specifica di ogni compressore fu ridotta da 8,19 a 6,19 kw/(m 3 /min). I risparmi totali ammontavano a kwh/anno. Inoltre sono stati risparmiati circa per mancato consumo di acqua di raffreddamento. L ottimizzazione del sistema ad aria compressa è stata realizzata con un tempo di ritorno ragionevole. 35

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37 Conclusioni L eccesso di energia consumata attraverso i sistemi ad aria compressa è dovuta a ragioni tecniche e comportamentali. L ottimizzazione del sistema ad aria compressa può portare a risparmi del 35% dell energia consumata in un anno La riduzione delle perdite può portare a risparmi del 20% dell energia consumata in un anno L adozione di motori ad alta efficienza può portare a risparmi del 5% dell energia consumata in un anno La riduzione di 5 C della temperatura dell aria in ingresso al compressore potrebbe permettere risparmi del 2% dell energia consumata in un anno 37