Efficienza energetica
nell'industria: il ruolo delle
tecnologie di automazione
Ing. Sabina Cristini
Presidente 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 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).
Consapevolezza
Eccellenza
nell’Energy
Management
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
Forniture energetiche
Acquisti
Produzione in sito
Trasformazione dell’energia
Compressori
CHP
Chillers
Distribuzione dell’energia
Aria
compressa
Vapore
Acqua fredda
Consumo dell’energia
Processo
Sistemi
ausiliari
Macchine di
produzione
I driver per investire in efficienza energetica
Standard
Energy price
Energy
Efficiency
Investment
Image
Sia nelle nazioni industrializzate, sia nei paesi in via di sviluppo il tema dell’efficienza
energetica acquisisce un interesse sempre maggiore.
Motivazione: energy label?
Oggi l’efficienza energetica gioca un ruolo chiave nelle decisioni di acquisto
Motivazione: specifiche chiare nell’automotive
Riduzione di energia per unità: obiettivo generale
MBC.
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)
Tecnologia di impianto deve ridurre la sua quota.
Incremento produttività energetica: minori consumi per veicolo prodotto
Motivazione: Direttiva EuP per macchine utensili
“Energy-using Products” (EuP)
Sviluppo di macchine utensili e
componenti, che garantiscano le
stesse prestazioni, ma in modo più
efficiente.
Iniziativa dall’industria
VDW come portavoce di CECIMO
Elevazione dell’iniziativa Europea ad uno
standard internazionale
Trasferire il concetto di autoregolamentazione in un
processo di standardizzazione internazionale
(subcommittee ISO TC 39, Machine Tools)
Life cycle di una macchina
Space costs
Capital commitment
costs
Cost of compressed air
5%
5% 4%
Assessment del potenziale per
incrementare la produttività
Energy costs
Machine
purchase
17%
34%
15%
Unplanned
maintainance
20%
Source:
PTW Darmstadt
Repairs and planned
maintainance
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.
E’ necessaria una verifica individuale per macchina e tecnologia.
Motore elettrico: lifecycle cost
Lifecycle cost
100%
2,3%
1,1%
0,9%
 Il costo energetico è
0,9%
0,2%
0,1%
fondamentale
 Il costo energetico arriva al 99%
del costo del ciclo di vita
Costi del ciclo di vita
80%
60%
96,8%
96,8%
98,7%
98,7%
99,0%
99,0%
40%
 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
20%
Costo
energia
Costi installazione e
manutenzione
Prezzo acquisto
0%
1,5 kW
15 kW
Potenza
110 kW
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
Altre applicazioni:
mixer, conveyer, …
32%
Pompe 30%
Electrical driven
applications ~ 69%
Aria compressa 10%
Frigoriferi
14%
Source: Fraunhofer Institut System
Ventilatore
14%
Analisi di dettaglio
Active Power Consumption
at Cabinet Input
Process
Mean active Power Consumption
(10 Min. time frame)
Machining with Cooling
and Lubricants
Machining without Cooling
and Lubricants
No Machining (Standby)
Cabinet
Bus
Drive Supply
DC 24V
Cabinet
general
DRIVES
Drive Systems
General Cabinet Supply
DC 24 V Bus Bar
Drive Supply – with AC Connection
400V Cabinet Bus – Power Input
>50% del carico base di macchina: unità ausiliarie
(es. refrigeranti, pompe lubrificazione, trasporti, pneumatica, ecc.)
Miglioramento continuo
Continuous
Improvement
Process
1
2
1
Automation
components
Development
Continuous
Improvement
Process
Life Cycle of
Machine
4 Service
3
Continuous
Improvement
Process
Operations
Efficienza energetica per incrementare la produttività
Continuous
Improvement
Process
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
Come migliorare
Controllo
Valvola
Frequency
converter
Controllo
Con VSD
Risparmi fino al 70%
Motore
Meccanica
IE1
Motor
IE3
Motor
Risparmi fino al 10%
Sistema
A vite
Ottimizzando
simultaneamente il
singolo drive ed il
sistema all’interno del
quale il drive è inserito
è possibile
risparmiare
fino al 30%
Epicicloidale
Risparmi fino al 40%
Recupero e scambio energia
Power drain
Energy compensation
Energy recovery
CM
ALM
Ridurre perturbazioni di
sistema e perdite
Evitare perdite per
dissipazione su
resistenze
ALM
X
Motor modules
Riduzione dei
picchi di domanda
Dissipazione ottimizzata
Internal air
cooling
100%
External air
cooling
20- 30%
Direct water cooling
Cold Plate
70- 80%
20- 30%
20- 30%
70- 80%
70- 80%
through
water or
convection
Evitare perdite di dissipazione nell’ambiente.
through water
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.
Sviluppo con approccio meccatronico
B - Rotor
Y - Carriage
B - Axle
Opzioni:
- Enclosure
 Comparazione tra sistemi di azionamento
diversi
Main spindle
Stands
A - Axles
 Layout ottimizzato in termini energetici
Bed
Z1 - Axle
 Simulazione dinamica per ottimizzare
cicli
X1 - Carriage
Effetti:
 Sistema ottimizzato e minor consumo
Z2 - Axle
X2 -Carriage
Rilevazione integrata in macchina
3AC
Industrial Ethernet
PROFIBUS DP
Non-electric
sensors
Registrazione consumi energetici
Operation
Visualizzazione consumi correnti di ogni macchina
Obiettivo:
sensibilizzare l’operatore
 Visualizzazione dei consumi potenza
attiva e reattiva
 Attivazione/Disattivazione di
compensazioni
 Inizializzazione di modalità Standby
Strategia di shut-down utilizzando i field bus
PROFINET
24 V
Power
Communication
Application
Operation
Energy demand
Mode2
Mode1
Power Mode0
Off
Power section
Power section
ON
Processor ON
wake on LAN




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 attraverso
la 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?
Consumo energia. / Costi
E/€
Pause
t
Incrementare l’efficienza
anche con retrofit di macchine esistenti
Old:
Higher energy consumption
New:
Lower energy consumption
Opzioni:
 Concetti di Shut-down
 Installazione di
azionamenti inverter.
Condizione di base:
 Azioni di retrofit si
ripagano in ca. 1.5 anni
Source: Chiron
Misure rapidamente implementabili su macchine esistenti
Conclusioni
Prodotti
Servizi
+
Risparmio energia
=
:
 Motori
 Rilevazione consumi
 Drive
 Ottimizzazione design
 Engineering Tools
 Analisi meccatronica
 Field bus
Benefici:
 < dimensioni
 < peso installazione
 Tecnologia Safety integrata
 < costi installazione e
service
 Recupero e bilancio
energia
 < consumo energetico
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