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Motori elettrici ed inverter

    Le principali aree di intervento per il perseguimento del risparmio energetico nell’ambito industriale sono state individuate in:

    Nel 2017 gli investimenti in efficienza energetica nel settore industriale hanno registrato un totale di 2,2 mld di euro. Gli investimenti in motori elettrici ed inverter sono ammontati in totale a 403 mln di euro, rispettivamente 224 mln di euro e 179 mln di euro.

    Fig. 1: Investimenti in efficienza energetica nel settore industriale. Fonte: “Energy Efficiency Report 2018”, Energy&Strategy Group

    Le riforme degli oneri di sistema, ovvero sconti sulla bolletta elettrica che derivano dal decreto energivori e dalle agevolazioni per i nuovi soggetti gasivori, hanno ridotto il costo energetico delle imprese. Secondo quanto emerso dall’Energy Efficiency Report 2018, questa situazione potrebbe riflettersi negativamente sugli investimenti in efficienza energetica negli anni a venire. Le tempistiche per il ritorno sugli investimenti si allungherebbero notevolmente, creando un potenziale ostacolo allo sviluppo degli interventi di efficientamento energetico.

    Come si evince dalla tabella sottostante, interventi sui motori elettrici mostrano un IRR (Internal Rate of Return) ridotto di 1/3 dalle riforme sugli oneri di sistema. Infatti la sostituzione di motori elettrici ed inverter ha registrato un calo degli investimenti nel 2017 di circa il 19% rispetto al 2016.

    TecnologiaDescrizionePBT pre riformaPBT post riformaDelta% PBTIRR pre riformaIRR post riformaDelta % IRR
    Motori elettrici3 motori da 15 kW IE4 in sostituzione di motori IE14/5 anni6/7 anni+40/50%23/27%15/19%-29/32%

    Tab. 1: Impatto riforme oneri di sistema e tariffazione energia elettrica per soggetti energivori su interventi di sostituzione dei motori elettrici. Fonte: Energy Efficiency Report 2018, Energy&Strategy Group. 

    Nel grafico sottostante viene riportata la frequenza delle tecnologie negli investimenti per l’efficienza energetica nel comparto industriale Viene fatta una distinzione tra tecnologie su cui si è investito in modalità “Stand-alone” (implementazione di una singola tecnologia) ed in modalità “Sistemica” (Implementazione congiunta di più tecnologie). Motori elettrici ed inverter vengono implementati generalmente in modalità “Sistemica”, infatti nella maggior parte dei casi vengono implementati congiuntamente.

    Fig. 2: Ricorrenza delle tecnologie negli investimenti in modalità Stand-alone e Sistemica. Fonte: Energy Efficiency Report 2018, Energy&Strategy Group.

     

    Motori ad alta efficienza

    L’Unione Europea ha fissato l’obiettivo di raggiungere una riduzione del 20% nei consumi energetici entro il 2020; un grosso peso per il raggiungimento di questo traguardo lo avranno i motori ad alta efficienza. Nel settore industriale infatti il 74% (112.000 GWh) dei consumi è rappresentato dall’utilizzo dei sistemi motore; non è un caso quindi che i motori elettrici siano la prima fonte di consumo in quest’area. Motori dei pompaggi, di movimentazioni materiali, delle ventilazioni, sono tutti di tipo elettrico. Questa tipologia di motore ha taglie di potenza molto variabili.

    Per una riduzione dei consumi, ed anche dei costi, è importante (specialmente per il settore industriale) ricorrere all’utilizzo di motori elettrici ad alta efficienza; questi motori contengono le perdite di energia aumentando il rendimento. Non è secondario anche l’impatto ambientale di questi motori che limitano le emissioni di gas serra e l’utilizzo di combustibili provenienti da fonti non rinnovabili.

    La normativa internazionale IEC 60034-30:2008 ha definito le classi di rendimento per motori trifase come segue:

    • IE 1, efficienza standard;
    • IE 2, efficienza elevata;
    • IE 3, efficienza premium;
    • IE 4; efficienza super premium.

    In ottemperanza al regolamento CE 640/2009, dal 1° Gennaio 2017 è obbligatorio che tutti i motori con potenza nominale compresa fra 0,75 kW e 375 kW debbano avere un livello di efficienza IE 3 o IE 2 nel caso in cui siano muniti di velocità variabile.

    Su ogni motore deve essere esposta la targa di rendimento nominale a pieno carico, al 75% ed al 50%, livello IE2, livello IE3 e anno di fabbricazione.

    Per ottenere una riduzione dei consumi energetici in funzione dell’installazione di un motore elettrico si può ad esempio agire sui dispositivi di trasmissione. Questi sistemi non riescono a trasmettere alla macchina operatrice tutta la potenza che gli viene fornita dal motore; scegliere un sistema di trasmissione a rendimento elevate comporta un contenimento dei consumi energetici e delle perdite di energia. Tra i sistemi di trasmissione più utilizzati vi sono le cinghie trapezoidali (pratiche ed a basso costo), ma il cui rendimento di trasmissione diventa rapidamente sempre meno efficiente; in questo caso si consiglia la sostituzione con cinghie dentate.

    Principalmente nei processi industriali (ma anche nei sistemi di ventilazione e condizionamento) vi sono motori elettrici sostituibili con motori elettrici ad alta efficienza. La sostituzione con un motore ad alta efficienza è risultato dell’analisi di vari fattori:

    • Situazione motore elettrico esistente; 
    • Coefficiente di carico;
    • Durata di funzionamento;
    • Costo del motore ad alta efficienza.

    Installare un inverter, specialmente nel campo delle frequenze elevate, consente di ottenere una riduzione dei consumi energetici che di solito rientrano nell’ordine del 35%.

    Solitamente per i motori di piccola taglia, ovvero inferiori ai 10 kW, bastano poche migliaia di ore di funzionamento per far risultare conveniente sostituire un motore standard fuori uso con un motore elettrico ad alta efficienza. Il numero delle ore di funzionamento oltre le quali si ottengono condizioni convenienti aumenta al crescere della potenza del motore.

     

    Inverter – Variatore di velocità o convertitore di frequenza

    Gli inverter sono dispositivi atti a modificare la velocità di un motore elettrico modulandone la frequenza di alimentazione in base al carico richiesto, ovvero adattano il funzionamento del motore alle necessità del momento evitando sovradimensionamenti e sprechi. Se prive di inverter, macchine come le pompe o ventilatori per adattarsi alle riduzioni di carichi riducono la portata attraverso strozzature (valvole o saracinesche) mantenendo la potenza di ingresso costante ovvero con un dispendio inutile di energia fornita a monte del processo.

    La riduzione della velocità ha effetti significativi sulla potenza assorbita in quanto quest’ultima si manifesta in funzione del cubo della velocità: riducendo del 50% la velocità del meccanismo si riduce la potenza assorbita ad un ottavo. L’inserimento di un inverter permetterà pertanto di rispondere alla richiesta di riduzione del 50% di portata di un impianto riducendone la velocità del 50% con un risparmio di potenza assorbita pari all’87,5%.

    In media l’inverter può condurre ad un risparmio del 15% su compressori e nastri trasportatori e del 35% su pompe e ventilatori.

     

    ESEMPIO: INSERIMENTO DI INVERTER IN CABINA VERNICIATURA CON VENTILATORE 11 kW

    Consumo energetico annuo (0.12 euro/kWh)

    • Con portata fissa – 31081 kWh/anno ovvero 3730 euro/anno;
    • Con portata variabile (inverter) – 21837 kWh/anno ovvero 2620 euro/anno.

    Bilancio dell’investimento

    Ritorno dell’investimento < 12 mesi.

    Il semplice inserimento e funzionamento per 5 anni di un solo inverter conduce ad un risparmio complessivo di 5.545 euro contro un investimento di 1.050 euro.

    Oltre ai vantaggi economici conseguenti al minore consumo elettrico, l’inverter protegge le componenti meccanicihe dai sovraccarichi e permette avviamenti più morbidi. In particolare l’inverter contribuisce a:

    • Proteggere i componenti meccanici dai sovraccarichi soprattutto in fase di avvio e arresto (sovrapressioni e colpi d’ariete);
    • Eliminare gli assorbimenti di corrente durante gli avviamenti;
    • Evitare le perdite energetiche conseguenti alla presenza di valvole di strozzatura;
    • Evitare il sovradimensionamento del motore;
    • Diminuire la rumorosità;
    • Ridurre i costi di manutenzione.

    A partire dal 17 aprile 2019 il CEI ha reso disponibile la nuova edizione della Norma CEI 0-16, “Regola tecnica di riferimento per la connessione di Utenti attivi e passivi alle reti AT e MT delle imprese distributrici di energia elettrica”, nella versione consolidata. Si tratta della normativa di riferimento anche per gli inverter.

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