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Efficienza energetica nell'industria: il ruolo delle tecnologie di automazione
Ing. Sabina CristiniPresidente Gruppo Meccatronica di ANIE Automazione
Industrial Technology Efficiency Day 10/12/2013 Fiera Milano Media
Che cosa si deve fare per vincere la sfida sull’energia?
Consapevolezza
Effic
ienz
aTrasparenza
Eccellenza nell’Energy
Management
Consapevolezza energetica si ottiene con il coinvolgimento delle persone per fare le migliori scelte nella gestione energetica. Deve coinvolgere tutta l’organizzazione per ottenere una riduzione dei costi operativi (OPEX).
Nella gestione energetica non è possibile gestire quello che non si misura. La Trasparenza Energetica crea la conoscenza per identificare nuovo valore nell’attività manifatturiera.
Efficienza Energetica fornisce nuovi strumenti per gestire i costi operativi energetici e pianificare le modifiche migliorative degli asset. Questo permette un miglioramento della produttività e della competitività.
Rendere efficiente l’intera filiera dell’energia
Energy Efficiency
Investment
Energy price Standard
Image
I driver per investire in efficienza energetica
Sia nelle nazioni industrializzate, sia nei paesi in via di sviluppo il tema dell’efficienza energetica acquisisce un interesse sempre maggiore.
Oggi l’efficienza energetica gioca un ruolo chiave nelle decisioni di acquisto
Motivazione: energy label?
Incremento produttività energetica: minori consumi per veicolo prodotto
Riduzione di energia per unità: obiettivo generale MBC.
Tecnologia di impianto deve ridurre la sua quota.
Motivazione: specifiche chiare nell’automotive
Consumi in modalità standby Energia è consumata durante le fermate (weekend, notte, …) Esempio: Impianto power train
fase produzione 45 MW / no produzione >10 MW!!! >20,000 MWh per 2,000 ore fermo > EUR 1,100,000 costi energetici (EUR 55 / MWh)
Motivazione: Direttiva EuP per macchine utensili
Iniziativa dall’industriaVDW come portavoce di CECIMO
Elevazione dell’iniziativa Europea ad uno standard internazionaleTrasferire il concetto di autoregolamentazione in un processo di standardizzazione internazionale (subcommittee ISO TC 39, Machine Tools)
“Energy-using Products” (EuP)
Sviluppo di macchine utensili e componenti, che garantiscano le stesse prestazioni, ma in modo più efficiente.
E’ necessaria una verifica individuale per macchina e tecnologia.
Life cycle di una macchina
Capital commitment costs
Repairs and planned maintainance
Energy costs
Cost of compressed air
Space costs
Machine purchase
Unplanned maintainance
Assessment del potenziale per incrementare la produttività
Cost drivers & KPIs
Una percentuale del TCO, non insignificante, risulta dai costi di gestione della macchina, includendo anche i costi energetici.
Sfida dei costruttori: basare il design di macchine e processi non solo su criteri di efficienza e produttività, ma anche sul raggiungimenti di questi obiettivi ai minimi livelli di consumo energetico.
4%5%5%
17%
15%
20%
34%
Source:PTW Darmstadt
Motore elettrico: lifecycle cost
Lifecycle cost
96,8% 98,7% 99,0%96,8% 98,7% 99,0%
0,9% 0,1%0,2%
2,3% 0,9%1,1%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1,5 kW 15 kW 110 kW
Potenza
Co
sti
de
l c
iclo
di
vit
a
Costo energia
Costi installazione e manutenzione
Prezzo acquisto
Il costo energetico è fondamentale
Il costo energetico arriva al 99% del costo del ciclo di vita
Nella scelta del motore il primo driver deve essere l’efficienza
Il costo addizionale di un motore ad alta efficienza si ripaga in qualche mese
Vita utile motore: 1,5 kW: 12 a 15 kW: 15 a 110 kW: 20 a
I motori elettrici rappresentano la maggior parte dei consumi energetici dell’industria
Motori elettrici I consumi dei motori elettrici rappresentano 70% dei consumi industriali
La maggior parte dei motori ha bassa efficienza, è sovradimensionata e non è regolata
Source: Fraunhofer Institut System
Electrical driven applications ~ 69%
Altre applicazioni: mixer, conveyer, …
32%Pompe 30%
Ventilatore14%Frigoriferi
14%
Aria compressa 10%
Analisi di dettaglio
>50% del carico base di macchina: unità ausiliarie (es. refrigeranti, pompe lubrificazione, trasporti, pneumatica, ecc.)
ProcessMean active Power Consumption(10 Min. time frame)
No Machining (Standby)
Machining without Cooling and Lubricants
Machining with Cooling and Lubricants
Cabinet Bus
Drive Supply DC 24V Cabinet general
DRIVES
Drive Supply – with AC Connection 400V Cabinet Bus – Power Input
DC 24 V Bus BarGeneral Cabinet Supply
Drive Systems
Active Power Consumptionat Cabinet Input
Efficienza energetica per incrementare la produttività
Miglioramento continuo
ContinuousImprovement
Process
ContinuousImprovement
Process
ContinuousImprovement
Process
ContinuousImprovement
Process
1Automation components
1Development2
3
Operations
4Service
Life Cycle ofMachine
Ottimizzare la gamma prodotti
Per assi di lavorazione e unità ausiliarie Motori ad alta efficienza
Inverter per controllo e regolazione della velocità
Ottimizzazione sistema servoazionamenti
Tool di configurazione a supporto della progettazione
Controllo Motore Meccanica Sistema
Risparmi fino al 70% Risparmi fino al 10% Risparmi fino al 40%
Ottimizzando simultaneamente il singolo drive ed il
sistema all’interno del quale il drive è inserito
è possibilerisparmiare fino al 30%
Come migliorare
Valvola
Controllo Con VSD
IE1 Motor
IE3 Motor
A vite
EpicicloidaleFrequency
converter
Frequency
converter
Recupero e scambio energia
Power drain
Energy recovery
Evitare perdite per dissipazione su
resistenze XALM Motor modules
Riduzione dei picchi di domanda
Energy compensation
CMALM
Ridurre perturbazioni di sistema e perdite
Dissipazione ottimizzata
20- 30% 20- 30%20- 30%100% 70- 80%
70- 80%through water 70- 80%
through water or convection
Evitare perdite di dissipazione nell’ambiente.
Internal air cooling
External air cooling Cold Plate Direct water cooling
Tools di progettazione
Caratteristiche Opzioni trasversali su tutta la gamma: - dati e curve motori - selezione dei motori in base al sistema meccanico. - selezione di drive e controllo orientato
all’applicazione. Calcolo della dissipazione e consumo energetico in
base a profili specifici.
Effetti: Prevenzione del sovradimensionamento. Valutazione del consumo energetico per diversi
profili.
Opzioni: Comparazione tra sistemi di azionamento
diversi Layout ottimizzato in termini energetici Simulazione dinamica per ottimizzare cicli
Effetti: Sistema ottimizzato e minor consumo
Sviluppo con approccio meccatronico
A - Axles Stands
Y - Carriage
Main spindle
Z2 -Axle
Bed
B - Axle - Enclosure
B -Rotor
Z1 -Axle
X1 -Carriage
X2 -Carriage
PROFIBUS DP
Rilevazione integrata in macchina
3AC Industrial Ethernet
Non-electricsensors
Registrazione consumi energetici
OperationVisualizzazione consumi correnti di ogni macchina
Obiettivo: sensibilizzare l’operatore Visualizzazione dei consumi potenza attiva
e reattiva Attivazione/Disattivazione di
compensazioni Inizializzazione di modalità Standby
Operation
Mode2
Mode1
Mode0PowerOff
Energy demand
wake on LAN
Processor ON
Power section ON
PROFINET
24 V
Power
Power section Application
Communication
Strategia di shut-down utilizzando i field bus
Modalità operative: 0 – Off/Power off 1 – Standby mode 2 – Production readiness 3 – Productive mode
Il costruttore alloca i componenti per essere attivati per l’operation e definisce le condizioni base.
Ottimizzazione della produzione attraversola trasparenza dei costi energetici
– Spostamento delle produzioni più energivore in fascie di prezzo inferiore– Spegnimento parziale delle utenze o riduzione della produzione con pause– Monitoraggio continuo dei consumi e segnalazione anomalie
Qual è la distribuzione dell’energia?
E quali sono i consumi nei tempi di pausa
o chiusura?
E/€
t
Pause
Consumo energia. / Costi
E/€
Old: Higher energy consumption
Incrementare l’efficienza anche con retrofit di macchine esistenti
Misure rapidamente implementabili su macchine esistenti
New: Lower energy consumption
Source: Chiron
Opzioni:
Concetti di Shut-down
Installazione di azionamenti inverter.
Condizione di base:
Azioni di retrofit si ripagano in ca. 1.5 anni
Esempio macch
ina
Esempio macch
ina
Conclusioni
:
Rilevazione consumi
Ottimizzazione design
Analisi meccatronica
Benefici:
< dimensioni < peso installazione Tecnologia Safety
integrata < costi installazione e service Recupero e bilancio
energia < consumo energetico
Risparmio energiaProdotti
+
Servizi
=
Motori
Drive
Engineering Tools
Field bus
Qual è il nostro posizionamento per trasformare questi cambiamenti in opportunità?
Cosa succederebbe se potessi ….. …trasformare i cambiamenti energetici e ambientali in un vantaggio competitivo?…trasformare i costi operativi in miglioramento del profitto? … implementare una politica di sostenibilità come aiuto nel business? …usare a vantaggio del business le potenzialità di risparmio nascoste e le migliori tecnologie disponibili?
Quanto stai facendo per trasformare la trasparenza dei consumi energetici in intelligence operativa?
Se non misuriamo, altri ci misurano …e questo produce costi!
La mancanza di trasparenza energetica produce costi aggiuntivi
Grazie per l’attenzione