Motori ad alta efficienza ed azionamenti a velocità variabile nell industria e nel terzario Analisi di casi reali Antonio Capozza
1 USO DI MOTORI ELETTRICI AD ALTA EFFICIENZA (MAE) 1
Uso di MAE - Caso di studio Industria siderurgica (acciaieria) Caratterizzazione sperimentale di 45 motori elettrici: asincroni trifase BT efficienza eff3, taglia da 1,5 a 90 kw differenti numero di poli e fattore di carico Grandezze valutate (valori stazionari o medi): potenza attiva (kw) tensione (V) corrente (A) fattore di potenza 2
0.10 0.09 0.10 0.09 Uso di MAE - Caso di studio M16547.LDL : Amps RMS Logging Period=00.10.19 Sample Interval=00.00.10 M16547.LDL : kw (3ø) Logging Period=00.10.19 Sample Interval=00.00.10 100 75 50 Amps 25 0 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Fri 30 Aug 2002 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Time ( HH:MM [:SS] ) Time ( HH:MM [:SS] ) M16547.LDL : PF (3ø) Logging Period=00.10.19 Sample Interval=00.00.10 M16547.LDL : Volts RMS Logging Period=00.10.19 Sample Interval=00.00.10 0.00-0.25-0.50 3 Fri 30 40 30 20 10 0 Aug 2002 kw (3ø) PF (3ø) -0.75-1.00 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Fri 30 Aug 2002 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Time ( HH:MM [:SS] Fri 30 400 300 200 100 0 Aug 2002 Volts Time ( HH:MM [:SS]
Uso di MAE - Caso di studio Industria siderurgica (acciaieria) Ipotesi di sostituzione di tali motori a fine vita con eff1; caratterizzazione del motore sostituente: efficienza come da accordo CEMEP identità del tempo annuo di utilizzo stessa potenza meccanica P m all albero potenza di targa immediatamente superiore a P m Confronto con un alternativa alla sostituzione, basata sul riavvolgimento Valutazione del risparmio energetico annuo e del P.B.P., basata sulle attuali tariffe elettriche e sugli attuali costi di riavvolgimento/acquisto 4
Uso di MAE - Caso di studio - da eff3 a eff2 Prima ID P n (kw) n. poli Rend nom. (%) Carico del motore (%di P n ) Rendimento effettivo Energia attiva (kwh/anno) Energia reattiva (kvar/anno) 3 45 2 90,5 0,28 83,38 25.628 36.942 4 75 2 92,1 0,18 89,72 57.282 42.962 TOTALI 1341,3 3.155.129 5
Uso di MAE - Caso di studio - da eff3 a eff2 sostituzione di eff3 con eff2 ID P n (kw) n. poli P n (kw) Carico del motore (%di P n ) Rend (%) Energia attiva (kwh/anno) Energia reattiva (kvar/anno) Risparmio Energia attiva (kwh/anno) Risparmio Energia reattiva (kvar/anno) 3 45 2 15 0,83 90,00 23.743 12.854 1.885 24.087 4 75 2 15 0,90 90,00 57.103 29.620 180 13.342 TOTALI 1341,3 769,1 57.314 1.375.706 6
7 Uso di MAE - tep riconosciute da AEEG
Uso di MAE - Caso di studio - Osservazioni su PBP Potenza elettrica totale considerata = 1341 kw Media annuale ore funzionamento = 4173 ore Ipotesi per il calcolo del PBT: costo dell intervento = sostituzione tutti i motori rispetto al riavvolgimento di tutti i motori tariffa elettrica = 0,1 /kwh 8
Uso di MAE - Caso di studio - Osservazioni su PBP da eff3 a eff1 costo riavvolgimento ( ) 19.665 costo a nuovo ( ) 37.514 Risparmio energetico (kwh/anno) 113.559 Risparmio sulla bolletta ( /anno) 11.356 PBP (anni) 1,57 9
Uso di MAE - Caso di studio - Osservazioni finali Potenza elettrica totale considerata = 1341 kw Media annuale ore funzionamento = 4173 ore Risparmio energetico (MWh/anno) cosφ incremento P.B.P. (anni) da eff3 a eff2 57,31 0,25 3,52 da eff3 a eff1 113,56 0,27 2,44 10
2 USO DI AZIONAMENTI VARIABILI (VSD) IN IMPIANTI DI POMPAGGIO 11
Uso di VSD - CASO DI STUDIO Stazione di pompaggio di acquedotto 12
Uso di VSD - CASO DI STUDIO Caratteristiche nominali del motore elettrico: Frequenza = 50 Hz Tensione = 500 V Corrente = 355 A Potenza attiva = 250 kw Velocità = 1475 rpm Fattore di potenza = 0.87 13
Uso di VSD - CASO DI STUDIO Caratteristiche nominali della pompa: Prevalenza = 50 m Portata = 1269 m 3 /h Velocità = 1490 rpm 14
Uso di VSD - CASO DI STUDIO Test con valvola di regolazione (RV) e test con azionamento variabile (VSD) sequenza di manovre manuali sulla valvola fino al raggiungimento di un prefissato regime stazionario di portata (in % del nominale) partendo dal valore di pieno carico (105%) 15
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - RV test Test con valvola di regolazione Test con valvola di regolazione Potenza attiva (kw) Potenza attiva (kw) 16
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - RV test % della portata nominale Potenza attiva (kw) 20 123 30 136 40 153 50 168 60 185 70 202 80 214 90 224 100 231 105 236 17
Uso di VSD - CASO DI STUDIO Test con azionamento variabile (VSD) sequenza di manovre manuali sul segnale in tensione dell inverter fino al raggiungimento di un prefissato regime stazionario di portata (in % del nominale) partendo dal valore di pieno carico (105%) 18
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - VSD test Test con azionamento variabile Potenza attiva (kw) 19
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - VSD test % della portata nominale Potenza attiva (kw) 20 64 30 78 40 90 50 108 60 121 70 148 80 168 90 196 100 225 105 236 20
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - confronti Efficienza del VSD Risparmio di potenza attiva in funzione del carico idraulico Potenza - VSD Potenza - RV Risparmio di potenza % di portata 21
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - confronti Fattore di potenza VSD RV % di portata 22
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - confronti % della portata nominale durata annua del carico (ore/anno) Consumo annuo di energia attiva (kwh/anno) RV VSD Risparmio annuo di energia (kwh/anno) 17,5 434 51971,5 26257 25714,5 24 62 7948,4 4315,2 3633,2 30 2245 305320 175110 130210 35 62 8959 5208 3751 40 62 9486 5580 3906 41 372 57474 34149,6 23324 43 303 47722,5 28906,2 18816 43,5 62 9811,5 5970,6 3841 49 62 10323 6584,4 3739 55 854 150731 97783 52948 65 303 58630,5 40753,5 17877 75 303 63024 47874 15150 77 1818 382507,2 294516 87991 82 303 65448 52600,8 12847 93 303 68508,3 62024,1 6484 105 1212 286032 286032 0 8760 1583897 1173664 410233 Uso di VDS invece di RV: risparmi di energia elettrica = 26% risparmi di energia primaria = 90.25 tep/anno 23
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - confronti Decremento di potenza elettrica con VSD Ore/anno Risparmio di potenza Ore/anno % di portata 24
Uso di VSD - CASO DI STUDIO - confronti Domanda annua di energia elettrica Uso di RV - energia annua Uso di VSD - Risparmio annuo Uso di VSD - energia annua % di portata 25
Uso di VSD - Osservazioni Tempo di ritorno stimato = 0.7 0.9 anni (P.B.P.) N.B. Si ipotizzano dati per la tariffa elettrica (0.1 /kwh) e dati di costo per i componenti sulla base di valori rilevati attualmente (~ 30 k ) 26
Uso di VSD - Osservazioni Vantaggi dell uso di VDS invece che RV Sensibili risparmi energetici (dell ordine del 25%) Stress meccanici ridotti Facile manutenzione (assenza di meccanismi in moto ) = maggiore durata Marcata idoneità per il controllo remoto e centralizzato nell approvvigionamento idrico a livello distrettuale Fattore di potenza prossimo a 1 indipendentemente dal carico idraulico = costi evitati di rifasamento 27
Uso di VSD - Osservazioni Svantaggi dell uso di VDS invece che RV Generazione di disturbi ad alta frequenza verso altre utenze Eccessiva sensitività a disturbi esterni (per VSD ad alta potenza): ciò è causa di fuori uso del VSD, spesso e senza motivo A questi svantaggi si pone rimedio adottando dispositivi ausiliari (filtri, ecc); il PBP per maggiore investimento cresce in modo insensibile (1 mese) 28
Riferimenti bibliografici A. Capozza, V. Colombo, A.Furnari: Linee guida per la valutazione di interventi di risparmio energetico: installazione di sistemi elettronici di regolazione di frequenza in motori elettrici operanti su sistemi di pompaggio CESI - A3/003935 su http://www.ricercadisistema.it/ 29
A. Capozza, S. Frigeri: Dimostrazione di tecnologie per il miglioramento dell'efficienza di motori elettrici CESI - A3/014642 Riferimenti bibliografici su http://www.ricercadisistema.it/ 30
GRAZIE Antonio Capozza CESI RICERCA Economia dei Sistemi Elettrici Via Rubattino, 54 20134 Milano ph. +39 02 3992 5016 fax +39 02 3992 5597 e-mail capozza@cesiricerca.it web http://www.cesiricerca.it 31