4.1.1 I motori elettrici in industria
Un motore elettrico è una macchina elettrica che, data una potenza in ingresso di tipo elettrico, restituisce in uscita una potenza di tipo meccanico. Il funzionamento si basa sul principio del campo magnetico rotante. La capillare diffusione dei motori elettrici a livello industriale, nell'ordine di 19 milioni di unità installate ad oggi in Italia, fa si che circa i tre quarti dell'energia elettrica consumata nel settore industriale in Italia è attribuibile al funzionamento di motori elettrici, valore che corrisponde a circa il 40% del consumo elettrico nazionale (Energy and Strategy Group-Politecnico di
Milano, 2012). Considerati questi dati, il tema dell'efficienza energetica dei motori elettrici assume
un'importanza preponderante. La normativa attualmente vigente in tema è la norma internazionale IEC 60034-30:2008 (Classi di rendimento dei motori asincroni trifase con rotore a gabbia ad una
sola velocità ), che definisce le classi di rendimento dei motori asincroni trifase a bassa tensione (che
rappresentano l'ampia maggioranza dei motori utilizzati in ambito industriale). Ogni classe di rendimento prevede la sigla "IE" che sta per "International Efficiency" a cui si affianca un numero, in ordine crescente di efficienza. Lo stato dell'arte in termini di motori elettrici efficienti è oggi rappresentato dalla classe IE3 ("Premium Efficiency"). L'efficienza energetica costituisce un elemento fondamentale per un motore elettrico anche perché, per questa tipologia di macchine, il costo dell'energia consumata rappresenta, nel ciclo di vita utile del prodotto, una porzione molto importante del cosiddetto Total Cost of Ownership (TCO)12.
Tabella 4.1 - Peso percentuale dei componenti del Total Cost of Ownership di un motore elettrico al variare della classe di efficienza (Energy and Strategy Group-Politecnico di Milano, 2012)
Componenti del TCO Classi di efficienza
IE1 IE2 IE3
Costo di acquisto e installazione 1,0% 1,5% 2,1%
Costo di manutenzione 0,5% 0,7% 1,0%
Costo dell'energia 98,5% 97,8% 96,8%
Analizzando alcuni casi esemplificativi di sostituzione di un motore elettrico con uno a più alto rendimento senza considerare il vantaggio economico derivante dall'ottenimento di Certificati Bianchi, si osserva che ovviamente il tempo di Pay-Back diminuisce all'aumentare delle ore di funzionamento del motore. Tipicamente se si considera di installare un motore di classe IE2 (Alta Efficienza) al posto di un motore funzionante di classe IE1 (Efficienza Standard), livelli accettabili di Pay-Back (≤ 3) si riescono a ottenere solo per motori di piccola taglia e con un numero molto elevato di ore di funzionamento (almeno 7000 ore l'anno). Ciò è dovuto al fatto che il costo di investimento specifico (€/kW) si abbassa al calare della taglia, mentre il differenziale di rendimento tra classe IE2 e IE1 aumenta al calare della taglia. Decisamente più interessante per l'investitore appare la sostituzione di un motore non funzionante di classe IE1 con un motore IE2, rispetto al ripristino del motore guasto mediante riavvolgimento. Per le piccole potenze si ottengono valori di Pay-Back inferiori a 3 anni già
12 Il TCO tiene conto di tutti i costi associati ad un'apparecchiatura lungo l'intero ciclo di vita, opportunamente attualizzati per tener conto dei diversi istanti temporali in cui tali costi si verificano. Le voci di costo considerate sono: acquisto, installazione, energia, manutenzione.
con 4000 ore/anno di funzionamento. Nel caso in cui il motore non funzionante non possa essere riavvolto, la scelta di un motore IE3 rispetto a un IE2 appare giustificata già sopra le 4000 ore/anno. Quindi considerando l'intera vita del motore, esiste un'evidente convenienza economica associata all'adozione di motori ad alta efficienza, sia nel caso di sostituzione forzata che volontaria, fatte salve alcune eccezioni, quale ad esempio il caso dei motori di grande taglia che lavorano meno di 4000 ore l'anno. Emerge una situazione in cui, in assenza di alcuna forma di incentivazione, l'adozione di motori ad alta efficienza è in generale un investimento caratterizzato da un ritorno economico positivo, anche se l'investimento iniziale richiede molto tempo per essere ripagato. La possibilità di ottenere Titoli di Efficienza Energetica a seguito di installazione di motori IE3 permette di accorciare i Tempi di Rientro per i motori di taglia medio-alta, mentre rende particolarmente appetibile la sostituzione di motori di piccola potenza.
4.1.2 La tecnologia
A livello generale, prescindendo dalle peculiarità di ciascuna macchina, un motore elettrico è tipicamente costituito da due cilindri coassiali separati da uno spessore uniforme d'aria detto "traferro". In uno dei due cilindri è posizionata una bobina di spire messe in serie tra loro. Nel momento in cui queste ultime sono percorse da corrente, si genera un campo magnetico, il quale interagendo con il campo magnetico statorico produce una coppia di forze che costringono la bobina (e quindi il cilindro) a ruotare. Tale rotazione è impartita a un albero rotante, che può far funzionare un qualsiasi apparecchio ad esso collegato mediante un sistema di trasmissione del moto. La riduzione dei consumi energetici in un motore elettrico può essere conseguita attraverso diversi approcci, che riguardano sia le caratteristiche costruttive del motore stesso che le condizioni di funzionamento. Riguardo alle prime,un motore elettrico ad alta efficienza ha caratteristiche costruttive, rispetto a un motore tradizionale, tali da ridurre le varie fonti di perdita tipiche di una macchina elettrica:
1. Perdite meccaniche: sono le perdite per attrito (nei cuscinetti e nelle spazzole) e per ventilazione; 2. Perdite nel ferro a vuoto: sono le perdite per isteresi e per correnti parassite nel nucleo
ferromagnetico (proporzionali al quadrato della tensione);
3. Perdite per effetto Joule negli avvolgimenti di statore e rotore (proporzionali al quadrato della corrente).
In particolare, la miglior performance è ottenuta grazie all'utilizzo di materiali diversi rispetto ai tradizionali. Le parti conduttrici sono realizzate in rame, materiale caratterizzato da bassa resistività e ottime proprietà tecnologiche quali duttilità, facilità di laminazione, saldabilità ed elevate proprietà meccaniche, oppure in alluminio, che è meno costoso del rame e ha valori inferiori di peso specifico e temperatura di fusione, che si traducono però in caratteristiche elettriche e meccaniche inferiori. L'aumento di efficienza nei motori viene conseguito anche grazie alla modifica di alcuni elementi costruttivi, come ad esempio il nucleo, che nei motori più efficienti è realizzato con lamierini a basse perdite in modo da diminuire le perdite a vuoto, oppure utilizzando una sezione maggiorata dei conduttori di statore e rotore per ridurre le perdite per effetto Joule, oppure ancora grazie a un'attenta scelta delle cave e della geometria delle stesse in funzione di quella che sarà l'applicazione del motore in questione. Tali modifiche portano anche ad una minore produzione di calore, pertanto è possibile impiegare ventole di raffreddamento di minore dimensione, con conseguente riduzione delle perdite meccaniche. Bisogna anche notare che, grazie a questi accorgimenti, i motori ad alta efficienza, a parità di potenza, sono caratterizzati da una curva del rendimento che risulta essere più "piatta" al variare del fattore di carico, tale cioè da garantire anche in caso di carico ridotto un rendimento prossimo a quello ottimale.
4.1.3 Le classi di efficienza dei motori elettrici
Il rendimento di un motore elettrico è definito come rapporto tra potenza meccanica disponibile all'albero e potenza elettrica immessa ai morsetti di alimentazione:
(4.1) Nel 1998, un accordo volontario tra il Comitato Europeo dei Costruttori di Macchine Elettriche ed Elettronica di Potenza (CEMEP) e la Commissione Europea ha definito ha introdotto la prima classificazione dei motori elettrici in base all'efficienza. Essa prevedeva tre classi di efficienza per la gamma di potenza da 1,1 a 90 kW:
- EFF3 = motori a bassa efficienza; - EFF2 = motori con migliorata efficienza; - EFF1 = motori con alta efficienza.
Questo sistema di classificazione è ben collaudato ed è stato adottato in molti paesi del mondo. Purtroppo molti altri paesi hanno anche sviluppato propri sistemi nazionali diversi da quello europeo. Per questo i produttori europei del CEMEP hanno sviluppato uno standard di efficienza energetica per la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) con l'obiettivo di raggiungere uno standard internazionale comune che superasse tutti i diversi sistemi nazionali. L'obiettivo è stato raggiunto con l'emanazione della norma internazionale IEC 60034-30:2008 che definisce tre classi di rendimento per i motori trifase a bassa tensione nella gamma di potenza che va da 0,75 kW a 375 kW:
- IE1 = rendimento standard; - IE2 = rendimento elevato; - IE3 = rendimento premium.
La IEC 600034-30 fornisce le tabelle riportanti i valori minimi di rendimento che deve avere un motore per rientrare in ogni classe, differenziando in base alla frequenza di alimentazione (50/60 Hz), al numero di poli (2-4-6) e alla potenza nominale. Il grafico in figura 4.1 rappresenta proprio i valori di rendimento minimo riportati nella norma per un motore 4 poli a 50 Hz.
Fig. 4.1 - Rendimento minimo al variare della potenza nominale delle diverse classi di efficienza per un motore 4 poli a 50 Hz (norma IEC 60034-30:2008).
Parallelamente alla definizione della nuova classificazione, la IEC ha sviluppato dei metodi migliorati per determinare il rendimento dei motori: le norme internazionali IEC 60034-30:2008 (classificazione) e IEC 60034-2-1:2007 (metodi di misura) che sono state adottate senza alcuna modifica, come EN 60034-30:2009 e EN 60034-2-1:2007. Il nuovo sistema di classificazione ha un metodo di
0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 0,75 1,5 3 5,5 11 18,5 30 45 75 110 160 re n d im e n to Potenza nominale [kW] IE1 IE2 IE3
numerazione aperto, pertanto permette successive integrazioni a seguito degli sviluppi futuri della tecnologia. Ad esempio, è in fase di progetto da parte dei principali produttori la nuova gamma di motori di classe IE4 definita "Super Premium". Secondo alcuni costruttori (ad esempio AAB), l'adozione di motori IE4 consentirà, rispetto ai motori IE2, una riduzione del 40% delle perdite ed una maggiore affidabilità, grazie ai benefici della tecnologia a magneti permanenti combinata con la semplicità e facilità di utilizzo dei motori a induzione. Rispetto al vecchio sistema europeo il campo di applicazione è stato esteso in modo significativo (il nuovo codice IE si applica a una gamma di potenza più ampia) ma la differenza fondamentale tra le classi IE ed EFF sta nel metodo utilizzato per determinarle. In un confronto diretto per lo stesso motore, ci si aspetta che il rendimento determinato secondo il nuovo metodo sia più basso. La figura 4.2 riporta una indicativa corrispondenza tra vecchia e nuova classificazione europea ed americana ( motori 60 Hz).
Fig. 4.2 - Confronto tra vecchie e nuove classi di efficienza.
Le classi di rendimento definite dalla norma IEC 60034-30:2008 sono state recepite in Europa dal Regolamento della Commissione 640/2009, il quale prevede che, con scadenze temporali predefinite, siano immessi sul mercato solo motori elettrici aventi un'efficienza minima via via crescente. I requisiti entreranno in vigore secondo il seguente programma:
- Dal 16 giugno 2011 i motori immessi sul mercato per la prima volta devono essere almeno di classe IE2;
- Dal 1 gennaio 2015 i motori con potenza nominale tra 7,5 e 375 kW devono essere di classe di rendimento minima IE3, o minima IE2 se dotati di controllo elettronico di velocità;
- Dal 1 gennaio 2017 i motori con potenza nominale tra 7,5 e 375 kW devono essere di classe di rendimento minima IE3, o minima IE2 se equipaggiati con controllo elettronico di velocità. I motori di classe di rendimento IE1 dal 16 giugno 2011 non possono essere immessi sul mercato nemmeno se alimentati con controllo elettronico della velocità (inverter).
4.1.4 Potenziale di diffusione
Il consumo annuo di energia elettrica in Italia associato all'uso di motori elettrici nell'industria è stimabile in circa 120 TWh, pari a quasi il 40% dell'intero fabbisogno elettrico italiano. Questo valore è influenzato, oltre che dalla diffusione massiccia di queste macchine, anche all'elevata penetrazione nel settore industriale dei motori elettrici di efficienza Standard (IE1) che risulta ancora superiore al 96%. Si capisce come esistano ampi spazi di riduzione dei consumi attraverso l'adozione di motori elettrici più performanti. Se tutti i motori elettrici installati a livello industriale fossero di classe IE3, si otterrebbe un risparmio annuo di energia elettrica di circa 7 TWh, con la sostituzione di circa 15 milioni di apparecchi e un giro d'affari corrispondente di 67,5 miliardi di euro. Se si considerano anche le nuove installazioni di motori attese da qui al 2020, nel caso in cui fossero di classe IE3, si stima di ottenere un ulteriore risparmio annuo di circa 0,2 TWh elettrici. Il potenziale teorico ottenibile con l'impiego di questa tecnologia a livello industriale consiste in una riduzione del 6% del consumo annuo di energia elettrica in Italia. Dato il livello di convenienza economica delle tecnologie efficienti e gli obblighi normativi in merito alle classi di efficienza dei nuovi motori elettrici immessi sul mercato, è ragionevole pensare che nei prossimi 7 anni in Italia il potenziale teorico "massimo" si realizzerà per il 35-40%. Questo corrisponderebbe ad un risparmio annuo di circa 2,8 TWh elettrici e ad un giro d'affari complessivo di 29,5 miliardi di euro (Energy and Strategy Group-Politecnico di Milano, 2012)..
Tabella 4.2 - Ripartizione per classe di efficienza del parco attuale di motori elettrici e delle nuove installazioni (Energy and Strategy Group-Politecnico di Milano).
Classe di efficienza Installato attuale Installato atteso al 2020 Nuove installazioni al 2020
IE1 o inferiore 96-97% 40%
[-]
IE2 3-4% 49% 82%
IE3 0% 11% 18%