M03 Motori elettrici ad alta efficienza

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1 M03 Motori elettrici ad alta efficienza LPQI is a member of Leonardo Energy LPQI has been co-financed by Franco Bua franco.bua@ecd.it Master Universitario di I livello INGEGNERIA DEI SISTEMI E DEI SERVIZI PER IL TERRITORIO E PER L AMBIENTE A.A. 2006/2007 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PAVIA - SEDE DI MANTOVA Aprile 2007

2 Sommario Mappa mentale

3 Introduzione Il settore industriale impiega il 50% circa dell energia elettrica totale del sistema paese (Italia) La quota parte dovuta all impiego di motori elettrici è stimabile in una percentuale variabile pari a circa il 60-80% TOC motori: il costo d acquisto e manutenzione è trascurabile rispetto al costo di esercizio lungo la vita utile del motore (5% - 95%)

4 Introduzione Consumi dei sistemi motore nel settore industriale e terziario Suddivisione dei consumi tra i vari sistemi motore nel settore industriale Altro Industria Pompe Compressori aria Ventilatori Terziario Compressori Refr. 0% 10% 20% 30% 40% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% TCO di un motore elettrico 0,7% 1,3% Energia elettrica Manutenzione Acquisto Fonte: MotorChallenge 98,0%

5 Introduzione Rendimento motore elettrico Il rendimento di un motore elettrico dipende: dal tipo di progetto ed in particolare dalla qualità e dalla quantità del materiale impiegato per la sua costruzione è variabile in funzione del tipo di motore, della taglia del motore ma soprattutto del coefficiente di utilizzo

6 Introduzione Rendimento motore elettrico Il rendimento di un motore decresce al diminuire del coefficiente di utilizzo (quando questo è inferiore a 0,5-0,6 la diminuzione è particolarmente drastica) con riferimento alla taglia del motore, il rendimento cresce all aumentare della potenza nominale valori tipici di rendimento (riferiti ad un coefficiente di utilizzo pari a 0,75) sono compresi tra 75-95%, per taglie comprese tra 1 e 200 kw

7 Introduzione Rendimento motore elettrico

8 Introduzione NB Motori e azionamenti Report on Energy Efficient Motor Driven Systems 2004 Fonte JRC Ispra -

9 Potenziale di risparmio energetico Potenziali di risparmio energetico relativo a motori ed azionamenti elettrici Report on Energy Efficient Motor Driven Systems 2004 Fonte JRC Ispra -

10 Potenziale di risparmio energetico Potenziali misure di risparmio di energia applicabili a motori ed azionamenti elettrici e la loro valutazione percentuale media Fonte: ENEA - MotorChallenge

11 Livello di efficienza Accordo volontario tra CEMEP (Comitato Europeo costruttori Macchine rotanti e Elettronica di Potenza) e la Commissione Europea DG XVII

12 Livello di efficienza Sono state stabilite: tre classi di efficienza EFF1, EFF2 e EFF3 per ogni classe sono stati stabiliti i rendimenti minimi l incremento di rendimento definito è compreso tra 1 e 6 punti percentuali rispetto al livello di efficienza EFF3 (mediamente circa 2,5 punti percentuali) la classe di efficienza è indicata da un etichetta posta sulla targa del motore

13 Livello di efficienza Limiti minimi di rendimento delle classi Limiti delle classi di efficienza definite dall accordo volontario tra CEMEP e Commissione Europea DGXVII 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 1,1 1,5 2, ,5 7, , Limite classe EFF3/EFF2 Limite classe EFF2/EFF1 Fonte: CEMEP

14 Livello di efficienza Costo medio unitario Costo unitario indicativo medio ( /kw) di motori elettrici appartenenti alle classi di efficienza EFF3 ed EFF1. 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 1,1 1,5 2, ,5 7, , Poli. (EFF3) Poli. (EFF1)

15 Livello di efficienza Diffusione in funzione dell efficienza Sintesi della penetrazione nel mercato europeo dei motori elettrici BT appartenenti alle 3 classi di efficienza

16 Livello di efficienza Diffusione in funzione dell efficienza Sintesi della penetrazione nel mercato europeo dei motori elettrici BT appartenenti alle 3 classi di efficienza

17 Efficienza energetica: criteri di scelta Ottimo tecnico-economico La convenienza economica dell impiego di motori elettrici ad alta efficienza può essere valutata rispetto a 3 possibili scenari: acquisto di un nuovo motore acquisto di un motore ad alta efficienza invece di riparare un motore guasto sostituzione di un motore in servizio con un motore ad alta efficienza

18 Efficienza energetica: criteri di scelta Ottimo tecnico-economico In termini assolutamente generali la valutazione economica di investimenti alternativi di questo tipo dipende principalmente dai seguenti fattori: costo dell energia ( /kwh) (potenza impegnata ( /kw)) potenza nominale del motore rendimento nominale del motore fattore di carico del motore ore di funzionamento annue del motore

19 Ottimo tecnico-economico Acquisto nuovo motore Confronto acquisto un motore ad alta efficienza invece di uno tradizionale. Il fattore rilevante nella valutazione economica è la differenza del costo d acquisto di un motore ad alta efficienza e quello di uno tradizionale (+20-40%) La differenza di costo è dovuta alla maggiore qualità e quantità dei materiali utilizzati (e.g. lamierini a basse perdite, sezione più elevata dei conduttori degli avvolgimenti di statore e di rotore etc.) FC i = c e P N C h EQ 1 η STD 1 η HEM

20 Ottimo tecnico-economico Acquisto nuovo motore In generale la convenienza dell acquisto di un motore ad alto rendimento è maggiore per motori caratterizzati da un numero elevato di ore di funzionamento il payback diminuisce linearmente con le ore di funzionamento Ore annue di funzionamento Payback semplice 3-4,5 anni 2-3 anni 1-2 anni

21 Ottimo tecnico-economico Sostituzione motore guasto In questo caso la differenza di costo imputabile alla soluzione energeticamente più efficiente è pari alla differenza tra il costo di un motore ad alta efficienza ed il costo del riavvolgimento di quello esistente l operazione di riavvolgimento comporta un peggioramento delle prestazioni energetiche del motore variabile, a seconda della perizia dell operatore (1-4%) FC i = c e P N C h EQ η STD 1 η RIAVV 1 η HEM

22 Ottimo tecnico-economico Sostituzione motore guasto In questo caso la convenienza dell acquisto di un EEM è elevata per motori caratterizzati da un numero elevato di ore di funzionamento (payback compresi tra 0,5 e 2 anni) il payback dell investimento diminuisce linearmente con le ore di funzionamento Potenza nominale del motore 1-11 kw 11-37,5 kw 37,5-100 kw Ore annue di funzionamento Payback semplice 0-1,5 anni 0-1 anni 0-1 anni 1-3 anni 1-1,5 anni 0,5-1 anni 3-7 anni 2-4 anni 1-2,5 anni

23 Ottimo tecnico-economico Sostituzione motore in servizio In questo caso la differenza di costo imputabile alla soluzione energeticamente più efficiente è pari al costo del motore ad alta efficienza sommato al costo della manodopera necessaria per la rimozione del vecchio e l installazione del nuovo In generale non si considera mai nel calcolo economico il valore del motore sostituito perché di fatto non esiste un mercato rilevante di motori usati

24 Ottimo tecnico-economico Sostituzione motore in servizio La sostituzione di motori in servizio non è particolarmente interessante per un numero di ore di funzionamento annuo basso (per esempio 2000), a meno che il costo dell energia non sia particolarmente elevato Ore annue di funzionamento Payback semplice 8-10 anni 5-7 anni 4-5 anni

25 Titoli di efficienza & Incentivi Decreto 20 luglio 2004: Nuova individuazione degli obiettivi quantitativi per l'incremento dell'efficienza energetica negli usi finali di energia, ai sensi dell'art. 9, comma 1, del decreto legislativo 16 marzo 1999, n. 79. Decreto 19 febbraio Disposizioni in materia di detrazioni per le spese sostenute per l'acquisto e l'installazione di motori ad elevata efficienza e variatori di velocità (inverter), di cui all'articolo 1, commi 358 e 359, della legge 27 dicembre 2006, n. 296.

26 Esempio Fonte: ENEA - MotorChallenge

27 Bibliografia S. Nadel, M. Shepard, S. Greenberg, G. Katz, A.T. de Almeida: Energy Efficient Motor Systems. ACE Energy Efficient Motor Driven Systems ECI ()

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