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