RISPARMIO DI ENERGIA ELETTRICA

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1 Corso di formazione ed aggiornamento professionale per Energy Managers-Trenitalia BOLOGNA Giugno 2011 RISPARMIO DI ENERGIA ELETTRICA Ing. Nino Di Franco ENEA-UTEE-IND

2 INTERVENTI SULL IMPIANTO ELETTRICO 1) DIFFERIMENTO CARICHI 2) DISTRIBUZIONE 3) POMPAGGI 4) GESTIONE FREDDO 5) RIFASAMENTO 6) USI IMPROPRI ELETTRICI 7) GESTIONE DEI TRASFORMATORI 8) ILLUMINAZIONE 9) SBILANCIAMENTO DI TENSIONE

3 1) DIFFERIMENTO DEL CARICO ELETTRICO LA STRUTTURA DELLA TARIFFAZIONE MULTIORARIA PREVEDE ALTI PREZZI DI POTENZA ED ENERGIA NELLE FASCE "PREGIATE" (PEAK), PREZZI INFERIORI NELLE ALTRE FASCE (OFF PEAK) SE SI POTESSE TRASFERIRE POTENZA ED ENERGIA DA UNA FASCIA PREGIATA AD UNA MENO, SI OTTERREBBERO APPREZZABILI VANTAGGI ECONOMICI LA RICERCA DELLE POSSIBILITA PARTE NECESSARIAMENTE DALL'ANALISI DEL MODELLO ELETTRICO DI STABILIMENTO

4 STRUTTURA DELLE TARIFFE MULTIORARIE 1 B1 B2 B3 B4 hrs 1-8jan 9jan-10mar 13mar-28apr 2may-1jun 5jun-28jul 31jul-4aug

5 STRUTTURA DELLE TARIFFE MULTIORARIE 2 B1 B2 B3 B4 hrs 5-20aug 21-25aug 28aug-15sep 18sep-17nov 20nov-7dec 11-22dec

6 STRUTTURA DELLE TARIFFE MULTIORARIE (Italy) 3 B1 B2 B3 B4 B1 Tariff 17.5 c! B2 Tariff 10 c! B3 Tariff 7.5 c! B4 Tariff 4.5 c!

7 SE SI POTESSERO DIFFERIRE POTENZA ED ENERGIA DALLE FASCE PREGIATE A FASCE MENO PREGIATE aug 21-25aug 28aug-15sep 18sep-17nov 20nov-7dec 11-22dec 23-31dec...SI OTTERREBBERO APPREZZABILI VANTAGGI ECONOMICI: RISPARMIO! n $ ( ) = kwh j " (Tariffa prima # Tariffa dopo ) j j=1

8 TIPICHE OPERAZIONI DIFFERIBILI HANNO LE SEGUENTI CARATTERISTICHE: mancanza di presidio per le macchine operatrici alte potenze installate (mulini di frantumazione, officine di ricarica batterie, confezionamenti, ecc...) SE E' PRESENTE UN IMPIANTO DI RAFFRESCAMENTO O DI PRODUZIONE DI FREDDO TECNOLOGICO, E' VERIFICABILE L'IPOTESI DI ACCUMULO DEL FREDDO

9 ESEMPIO DI ACCUMULO DEL FREDDO (GHIACCIO) Pompa acqua gelida Chiller acqua glicolata Carico termico Scambiatore di calore Pompa acqua gelida Pompa acqua gelida Pompa aria Unità di accumulo del ghiaccio Scambiatore di calore Pompa acqua gelida

10 2) DISTRIBUZIONE DIMENSIONAMENTO DEI CAVI ELETTRICI Il vincolo da rispettare e' di tipo: TECNICO: 1) CADUTA DI TENSIONE 2) RISCALDAMENTO ECONOMICO

11 VERIFICA TECNICA: Va condotta su cavi caricati per brevi t 1) Se i cavi sono lunghi la verifica va condotta sulla caduta di tensione 2) Se i cavi sono brevi la verifica va condotta sul sovrariscaldamento da effetto Joule VERIFICA ECONOMICA: Va condotta sui cavi caricati per lunghi t

12 ρ P loss = RI 2 =!l S I 2 C loss = R!I 2! H!c kwh = "l S! I 2! H!c kwh l I S VAN = "l S # I 2 # H # c kwh # FA $ S # l # c Cu La condizione di ottimalità si ha per: S = I ΔS! " H " c kwh " FA c Cu!(VAN)!S = 0

13 TERMOGRAFIA ALL INFRAROSSO LA TERMOGRAFIA ALL INFRAROSSO E UNA TECNICA RAPIDA ED AFFIDABILE PER IDENTIFICARE E MISURARE LE TEMPERATURE DEI COMPONENTI ELETTRICI (MA ANCHE TERMICI) CHE OPERANO A TEMPERATURE TROPPO ELEVATE UN ALTA TEMPERATURA E UN SEGNALE CRITICO CHE PUO INDICARE SIA UNO SPRECO ENERGETICO CHE UN GUASTO IMMINENTE

14 TERMOGRAFIA ALL INFRAROSSO

15 3) POMPAGGI

16 Spesso la potenza installata di pompaggio e' esuberante rispetto a quella strettamente necessaria, data da: P = Q! H " L'energia non necessaria ai fini del pompaggio viene dissipata in valvole, ricircoli e/o nell alta velocità di efflusso POSSIBILI INTERVENTI: Verificare, per le pompe piu grandi e funzionanti piu a lungo, le effettive necessita di pompaggio Evitare di controllare la portata tramite metodi dissipativi

17 Regolazione della portata con metodi dissipativi H H d H pompa H s H H d H s carico H s Q Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 I H danno conto delle perdite dissipative. Più è basso il carico H s rispetto ad H d più aumentano le perdite H, inaccettabili se la pompa lavora per lunghi periodi.

18 Regolazione della portata con metodi NON dissipativi H n 1, η 1 H 2 n 2 < n 1, η 2 > η 1 H H 2 Q Q 2 Q 1 Il nuovo punto di lavoro comporta un risparmio di potenza pari a (H in m; Q in l/sec):!p(kw) = Q $ & % H ' 2 " 1 # H'' " 2 2 ' ) (

19 GLI INVERTER POSSONO ESSERE UTILIZZATI CON TUTTI I TIPI DI MOTORI CHE TRASCINANO CARICHI VARIABILI APPLICABILITA RISPARMIO ENERGIA APPLICAZIONE % % POMPE VENTILATORI COMPRESSORI ARIA COMPRESSORI REFR CINGHIE TRASMISS ALTRO 60 15

20 4) GESTIONE PRODUZIONE FREDDO REGIONE CALDA Q out! = Q in P c VALVOLA DI LAMINAZIONE CONDENSATORE COMPRESSORE EVAPORATORE P c COP = Q out P c Q in REGIONE FREDDA

21 INTERVENTI POSSIBILI Recupero del calore al condensatore e dal sistema di raffreddamento olio (per ottenere acqua a C ) Installazione di sistemi di supervisione automatica Accumulo del freddo (da progettare ex novo o da implementare se presenti compressori alternativi o rotativi a vite)

22 5) RIFASAMENTO DEL CARICO ELETTRICO VANTAGGI DEL RIFASAMENTO: A) DI ORDINE TECNICO Riduzione perdite Joule Aumento potenzialita' dell'impianto Riduzione c.d.t. nei cavi e nei trasformatori B) DI ORDINE TARIFFARIO

23 Un conduttore, sottoposto ad una tensione: v = V M senωt, viene percorso da una corrente: i = I M sen(ωt-ϕ) e trasmette all utilizzatore una potenza: p = v. i v, i, p ϕ t

24 La potenza così espressa può essere composta nella somma di due componenti: Componente ATTIVA Componente REATTIVA p a P=VIcosϕ p r Q=VIsenϕ t t

25 SCHEMA SENZA RIFASAMENTO componente attiva componente reattiva

26 SCHEMA CON RIFASAMENTO CENTRALIZZATO

27 SCHEMA CON RIFASAMENTO DISTRIBUITO

28 Determinazione della potenza rifasante P Αpp = VI Q 1 Q R = Q 1 Q 2 ϕ 1 Q 2 ϕ 2 P Att = VIcosϕ Q 1 = P Att tgϕ 1 Q 2 = P Att tgϕ 2 Q R = P Att (tgϕ 1 tgϕ 2 )

29 Determinazione della potenza rifasante P Αpp = VI Q 1 Q R = Q 1 Q 2 ϕ 1 Q 2 ϕ 2 P Att = VIcosϕ cosϕ 2 = 0,9 ϕ 2 =26

30 = tgϕ1-tgϕ2

31 RIFASAMENTO A GRADINI

32 RIFASAMENTO A GRADINI Se i gradini sono molto ridotti aumenta anche di molto il numero di inserzioni-disinserzioni, e con ciò l accelerazione dell usura della batteria. La regola aurea dell energy manager in questi casi è la seguente: 1) adottare preferibilmente gradini tutti della stessa potenza reattiva 2) ogni gradino dovrebbe avere una potenza variabile tra il 10 ed il 20% della totale potenza rifasante richiesta.

33 6) USI IMPROPRI DELL ELETTRICITA Evitare la conversione dell'energia elettrica in calore Se fosse indispensabile, e se la tariffazione applicata lo consente, sfruttare le fasce orarie vuote, in cui costano poco il kwh ed il kw

34 Se e' necessaria una regolazione fine della temperatura (possibile solo con resistori elettrici), fornire la base con combustibili tradizionali, ed il calore in regolazione con l'elettricita. P (kw t ) in modulazione (con l elettricita ) a tavoletta (con combustibili tradizionali) t (h)

35 7) GESTIONE DEI TRASFORMATORI

36 RENDIMENTO DI TRASFORMAZIONE: P P 2 1 V 1 V 2 P p P 1 = P 2 + P p! = P 2 P 1 = P 1 " P p P 1

37 PERDITE NEI TRASFORMATORI P p = P Fe ( ferro) + P Cu(rame) P Fe : sono dovute ad isteresi e correnti parassite all interno dei lamierini ferromagnetici, sono proporzionali a V 2 e vanno dal 2 al 5 della potenza nominale P n (=P 2 ). P Cu : sono causate dall effetto Joule nei conduttori, sono proporzionali a I 2, e vanno dall 1 al 3% della potenza nominale P n (al 100 % del carico).

38 PERDITE NEI TRASFORMATORI In condizioni nominali è: " n = P n P n + P 0 + P cc Se il trasformatore eroga una frazione x della potenza nominale, si avrà che: la potenza erogata è P x = x P n le perdite nel ferro sono in pratica sempre costanti e pari a P 0 (le perdite a vuoto) le perdite nel rame nominali sono P Cu,n = P cc Se la corrente al carico x è x 2 I 2, anche per le perdite nel rame, proporzionali al quadrato della corrente, vale: P cu,x = x 2 P cc

39 PERDITE NEI TRASFORMATORI Il rendimento al carico x diventa: La condizione di massimo rendimento per il trasformatore si ottiene quando le perdite nel rame sono uguali alle perdite nel ferro: da cui: x = P 0 P cc " x = x 2 P cc = P 0 x P n x P n + P 0 + x 2 P cc Per ragioni di ottimizzazione progettuale, il rapporto relativo tra le perdite nel ferro e nel rame è 20 25% x = 45 50% della potenza nominale P n

40 η η max Perdite! = x " P n x " P n + P Fe + x 2 " P Cu P p P Cu 50 P Fe 100 % carico (x) POSSIBILI INTERVENTI Per carichi inferiori al 50%: disinserire qualche trafo Per carichi superiori al 75%: nothing to do Verificare la convenienza all acquisto di un trasformatore a basse perdite (dal 20 al 60 % di riduzione delle perdite)

41 8) ILLUMINAZIONE Nei reparti illuminati da parchi lampade fluorescenti, prevedere l'uso di Reattori Elettronici

42 VANTAGGI DEI REATTORI ELETTRONICI 1) Aumento della vita delle lampade (mediamente del 25%) Vita utile prevista percentuale di vita lampade 50 Hz lampade HF ore di lavoro

43 2) Più lento decadimento del flusso luminoso emesso: dopo ore il flusso si riduce solo del 10% % del flusso nominale (lumen) Lampade con reattore elettronico Lampade con reattore ferrorame ore di lavoro

44 L uso del reattore elettronico consente il completo rifasamento dell impianto, e la gestione di sistemi di illuminazione completamente automatici, con possibilità di telecontrollo e telegestione. Grazie alla possibilità di regolazione in continuo del flusso luminoso (dimming), rende possibile l illuminazione dei reparti sfruttando il contributo dell illuminazione naturale. Altre possibilita : Nei reparti o nelle aree poco frequentate prevedere l installazione di sistemi di rilevamento di presenza persone. Prevedere l installazione di temporizzatori che azzerano o riducono automaticamente il flusso luminoso emesso durante particolari intervalli di tempo.

45 CARATTERISTICHE DELLE SORGENTI LUMINOSE

46 9) SBILANCIAMENTO DI TENSIONE UNO SBILANCIAMENTO E PRESENTE ALLORCHE SIANO PRESENTI TENSIONI DISEGUALI SULLE FASI DI UN MOTORE TRIFASE A INDUZIONE Fase A Fase B Fase C Service entrance V AC V AB V BC Motor starter LO SBILANCIAMENTO SULLE FASI CAUSA UNO SBILANCIAMENTO DI CORRENTI. QUESTE CAUSANO PULSAZIONI DI COPPIA, VIBRAZIONI, STRESS PER IL MOTORE E SURRISCALDAMENTI DI UNO O DUE AVVOLGIMENTI

47 SBILANCIAMENTO DI TENSIONE L EFFICIENZA DEL MOTORE DIMINUISCE, ALLORCHE SIANO PRESENTI SBILANCIAMENTI DI TENSIONE QUANDO L EFFICIENZA DIMINUISCE, L ENERGIA VEICOLATA DAI CAVI VERSO IL MOTORE VIENE DISSIPATA COME CALORE NEI NUCLEI E NEGLI AVVOLGIMENTI LA COPPIA UTILE ALL ALBERO DI RIDUCE

48 SBILANCIAMENTO DI TENSIONE EFFETTI DELLO SBILANCIAMENTO SULLE PERDITE

49 SBILANCIAMENTO DI TENSIONE POSSIBILI CAUSE DELLO SBILANCIAMENTO, DA INDIVIDUARE E RIMUOVERE PRESENZA DI UN GRANDE TRASFORMATORE DI DISTRIBUZIONE MONOFASE IN UN SISTEMA TRIFASE CARICHI MONOFASE MAL DISTRIBUITI IN UN SISTEMA TRIFASE, OPPURE UN SINGOLO GRANDE CARICO CONNESSO A DUE FASI DI UN SISTEMA TRIFASE INTERVENTI BEN ORIENTATI, PER ES. MIGLIORAMENTO DELL EFFICIENZA ENERGETICA NELL IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE (MONOFASE), I QUALI INAVVERTITAMENTE INDUCONO SBILANCIAMENTI IN UN IMPIANTO IN PRECEDENZA BILANCIATO (EVENTUALMENTE CON PERDITE ENERGETICHE SUPERIORI A QUELLE RISPARMIATE)

50 Energy Management Risparmio di energia elettrica Nino Di Franco ENEA UTEE-IND Corso di formazione ed aggiornamento professionale per Energy Managers-Trenitalia BOLOGNA, Giugno 2011