POLITECNICO DI MILANO
Facoltà di Ingegneria Industriale
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica
ANALISI DELL’USO DI ENERGIA IN
CENTRI DI LAVORO A CONTROLLO
NUMERICO
Relatore: Prof. Andrea Matta
Co-Relatore: Ing. Paolo Albertelli
Tesi di laurea di:
Marco Amadeo Matr. 734548
Vito Cazzini Matr. 720652
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Indice Generale
Indice delle Figure 5
Indice delle Tabelle 8
Sommario/abstract 9
Introduzione 10
Capitolo 1 : Richiesta di Energia 13
1.1 Lo Sfruttamento Energeico 13
1.2 Energy Management 20
1.3 Energy Saving Technologies 22
1.4 Industrial Energy Saving by Policies 22
1.5 Obiettivo della Tesi 24
Capitolo 2 : Analisi della Letteratura 25
2.1 Livello Analisi ed Indicatori di Efficienza Energetica 26
2.2 Tipologia di Lavorazione 32
2.3 Tipologia Modello e Tecniche di Analisi 32
2.4 Ciclo di vita della Macchina 33
2.4.1 Beginning of Life 33
2.4.2 Middle of Life 34
2.4.3 End of Life 45
2.5 Possibili Studi Futuri 45
Capitolo 3 : Modello Energetico 47
3.1 Definizione del punto di vista dell’analisi 47
3.2 Punto di Vista dell’utente 48
3.2.1 Funzione Obiettivo del Modello 49
3.2.2 Definizione del Primo Livello 50
3.2.3 Definizione del Secondo Livello 51
3.2.4 Definizione del Terzo Livello 52
3.3 Modello Energetico 52
3.3.1 Assi 55
3 3.3.3 Chiller Assi 62 3.3.4 Chiller Mandrino 64 3.3.5 Energia Fissa 66 3.3.6 Cambio Utensile 66 3.3.7 Cutting 67
3.3.8 Nastro trasportatore per l’eliminazione del truciolo 68
3.4 Quadro di Sintesi 69
Capitolo 4: Esempio Applicativo ed Analisi dei risultati 73
4.1 Descrizione della Macchina Utilizzata 73
4.2 Applicazione del modello 74
4.3 Analisi dei risultati 81
4.3.1 Consumo Fisso 82
4.3.2 Asse in Lavorazione 84
4.3.3 Cambio Utensile 88
4.3.4 Chiller Assi 89
4.3.5 Mandrino in Lavorazione 91
4.3.6 Chiller Mandrino in Lavorazione 93 4.3.7 Nastro trasportatore per l’eliminazione del truciolo 94
4.3.8 Cutting 95
4.4 Analisi Energia Totale in Fresatura nel caso Jotech 96
4.5 Altri Casi 98
4.5.1 Primo Caso 98
4.5.2 Secondo Caso 100
4.5.3 Terzo Caso 100
Capitolo 5: Ottimizzazione del processo 103
5.1 Analisi delle funzioni energia, tempo e costo di produzione 104 5.1.1 Comportamento delle curve di energia, tempo e costo di produzione nel primo caso
105 5.1.2 Comportamento delle curve di energia, tempo e costo di produzione nel secondo caso
106 5.1.3 Comportamento delle curve di energia, tempo e costo di produzione nel terzo caso
108
5.2 Ottimizzazione ad un parametro 109
5.2.1 Ottimizzazione ad un parametro nel primo caso 110 5.2.2.Ottimizzazione ad un parametro nel secondo caso 112 5.2.3 Ottimizzazione ad un parametro ne terzo caso 116 5.3 Ottimizzazione analitica caso particolare 122
4
Capitolo 6: Conclusioni e Studi Futuri 125
6.1 Conclusioni 125
6.2 Sviluppi Futuri 126
Allegato A 127
Allegato B 129
Allegato C funzioni Matlab 131
5
Indice delle Figure
Figura 1 World Energy Consumption 1990-2035 (quadrillion Btu)
[IEO11] 14
Figura 2 Percentage of energy consumption by sector 2008 [IEO11] 15 Figura 3 World Delivered Industrial Energy Consumption
2008-2035 [IEO11] 16
Figura 4 Annual changes in world industrial and all other end-use Energy consumption from previous year, 2007-2011
(quadrillion Btu) [IEO11] 16
Figura 5 World delivered energy consumption in the industrial and
all other end-use sectors, 2005-2035 (quadrillion Btu) [IEO11] 17 Figura 6 World industrial sector energy consumption by fuel, 2008
and 2035 (quadrillion Btu) [IEO11] 18
Figura 7 World industrial energy sector share by fuel, in 2008
[IEO11] 18
Figura 8 World industrial energy sector share by fuel, in 2035
[IEO11] 19
Figura 9 The concept of energy efficiency indicators. [Mun10] 27 Figura 10 Energy efficiency indicators pyramid. Phylipsen et al,
1997. 29
Figura 11 Energy relevant hierarchy in production technology
[NWR+10] 31
Figura 12 System diagram of machining [DG04] 35
Figura 13 Determination of power characteristics and energy
requirements ofmachine tools.[KOTG09] 37
Figura 14 Input and outputs to the machining process. [Fra10] 38 Figura 15 Energy used as a function of production rate for an
automobile production machining line [GMA+05] 42 Figura 16 Energy used as a function of material removal rate for a
3-axis CNC milling machine [Kor02] 43
Figura 17 Conventional acceleration method. [MFIO11] 44 Figura 18 Developed acceleration method. [MFIO11] 44 Figura 19 Definiziene dei punti di vista principali che riguardano il
Life Cycle delle macchine uensili – Adattata da [GD04] 48 Figura 20 Livelli del Punto di vista Utente – Adattata da [GD04] 49 Figura 21 Rappresentazione grafica per la legge di Taylor 52 Figura 22 Fasi legate alla macchina utensile – Adattata da [AX11] 54
Figura 23 Profilo di velocità dell’asse 56
6
Figura 25 Fascia in presa da Sandvik [San] 60
Figura 26 Diametro fresa da Sandvik [San] 60
Figura 27 Modello per la caratterizzazione del comportamento del
Chiller assi da [ABB+11] 64
Figura 28 Centro di lavoro Jotech del Musp (PC) 73 Figura 29 Parte da lavorare e volume da asportazione 74
Figura 30 Traiettoria degli assi in rapido 75
Figura 31 Traiettoria degli assi in rapido e profili di velocità degli
assi 75
Figura 32 Profilo di velocità dell’asse i-esimo in lavorazione 77
Figura 33 Machining Tool Path 78
Figura 34 Traiettoria i-esima della fresa nel path di lavoro 79 Figura 35 Andamento rispetto alla variabile velocità di taglio dei
contributi dell’energia fissa 83
Figura 36 Andamento dell’Energia Fissa al variare dei parametri di
taglio in fresatura 84
Figura 37 Andamento dell’Energia Asse meccaninca in lavorazione
al variare dei parametri di taglio in fresatura 86 Figura 38 Andamento dell’Energia dell’asse in lavorazione dovuta
alle perdite per effetto Joule in lavorazione al variare dei
parametri di taglio in fresatura 87
Figura 39 Andamento dell’Energia legata al cambio utensile al
variare dei parametri di taglio in fresatura 89 Figura 40 Andamento dell’Energia legata all’effetto Joule di tutta la
lavorazione al variare dei parametri di taglio in fresatura 91 Figura 41 Andamento dell’Energia del mandrino in lavorazione al
variare dei parametri di taglio in fresatura 92 Figura 42 Andamento dell’Energia del chiller del mandrino al variare
dei parametri di taglio in fresatura 94
Figura 43 Andamento dell’Energia del Nastro trasportatore per l’eliminazione del truciolo durante la lavorazione al variare
dei parametri di taglio in fresatura 95
Figura 44 Andamento dell’Energia Totale in fresatura avendo il consume del chiller preponderante sugli altri al variare dei
parametri di taglio in fresatura 97
Figura 45 Andamento dell’Energia Totale in fresatura avendo il consume fisso preponderante sugli altri al variare dei
parametri di taglio in fresatura 99
Figura 46 Andamento dell’Energia Totale in fresatura avendo il consume del chiller dello stesso ordine di grandezza dell’energia fissa al variare dei parametri di taglio in
7
Figura 47 Ottimizzazione grafica del caso I 106
Figura 48 Ottimizzazione grafica del caso II 107
Figura 49 Ottimizzazione grafica del caso III 108 Figura 50 Are di ottimo delle funzioni di energia, costo e tempo 109 Figura 51 Ottimizzazine ad un parametro dell’Energia, del Tempo e
del costo di produzione in fresatura per il caso I 110 Figura 52 Ottimizzazine ad un parametro dell’Energia, del Tempo e
del costo di produzione in fresatura per il caso II 112 Figura 53 Ottimizzazione ad un parametro del tempo di produzione
per il caso II utilizzando il valore di Vt che minimizza
l’energia e il costo di produzione 114
Figura 54 Ottimizzazione ad un parametro dell’energia e del costo di produzione per il caso II utilizzando il valore di Vt che
minimizza il tempo di produzione 115
Figura 55 Ottimizzazine ad un parametro dell’Energia, del Tempo e
del costo di produzione in fresatura per il caso III 116 Figura 56 Ottimizzazione ad un pa rametro del costo di produzione
per il caso III utilizzando il valore di Vt che minimizza
l’energia in fresatura 118
Figura 57 Ottimizzazione ad un parametro del tempo di produzione per il caso III utilizzando il valore di Vt che minimizza il
costo di produzione 120
Figura 58 Ottimizzazione ad un parametro dell’energia in fresatura per il caso III utilizzando il valore di Vt che minimizza i
8
Indice delle Tabelle
Tabella 1 Summary Energy Indicator. [Mun10] 30
Tabella 2 Environmental impact sources [Cam11] 39
Tabella 3 Power Consumption [Cam11] 40
Tabella 4 Fasi legate alla macchina utensile 54
Tabella 5 Richiesta di potenza degli assi sul tempo di produzione 56 Tabella 6 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento degli assi 58 Tabella 7 Richiesta di potenza del Mandrino sul tempo di produzione 62 Tabella 8 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento del
mandrino
62 Tabella 9 Richiesta di potenza del Chiller assi sul tempo di produzione 63 Tabella 10 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento del Chiller
assi
63 Tabella 11 Richiesta di potenza del Chiller assi sul tempo di produzione 65 Tabella 12 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento del
Chiller mandrino
65 Tabella 13 Richiesta di potenza del moduli della macchina che
costituiscono la parte fissa sul tempo di produzione
66 Tabella 14 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento della
potenza fissa
66 Tabella 15 Richiesta di potenza del cambio utensile sul tempo di
produzione
67 Tabella 16 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento del
cambio utensile
67 Tabella 17 Richiesta di potenza del cutting sul tempo di produzione 67 Tabella 18 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento del cutting 68 Tabella 19 Richiesta di potenza del trasportatore per l’eliminazione del
truciolo sul tempo di produzione
68 Tabella 20 Forma di potenza per ogni stato di funzionamento del
trasportatore per l’eliminazione del truciolo
69 Tabella 21 Richiesta di potenza in fresatura lungo le fasi della macchina 69 Tabella 22 Richiesta di potenza in fresatura lungo le fasi della macchina
modificabile al primo livello
71 Tabella 23 Richiesta di potenza in fresatura lungo le fasi della macchina
modificabile al terzo livello
72 Tabella 24 Grandezze delle variabili utilizzate 82
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Sommario
Nei sistemi produttivi, la gestione della macchina attraverso le sue componenti, è alla base dell’ottimizzazione energetica e della riduzione delle emissioni di gas inquinanti e della riduzione dei costi. In questa tesi verà descritto un modello, da un punto di vista dell’utente della macchina utensile, che può essere utilizzato da un qualsiasi tecnologo che miri a descrivere i flussi energetici della macchina utensile. Il modello è applicato ad una macchina utensile per una generica lavorazione di spianatura in fresatura. Infine è stata eseguita l’ottimizzazione di tale modello attraverso i parametri di taglio, parametri che un tecnologo ha a disposizione senza intraprendere spese sul centro di lavoro.
Parola chiave : Risparmio Energetico, Gestione Energetica, Ottimizzazione Enegetica
Abstract
In the production systems, the management of the machine and its components is the basis of energy optimization and reduction of greenhouse gas emission and reduce total costs. In this thesis we describe a model, from a user’s point of view of the machine tools, which can be used by any technologist that aims to describe the energy flows of these. The model is applied to a machine tools for machining a generic milling operation’s leveling. Finally, the model’s optimization was performed according to the cutting parameters, parameters that for a technologist is available, at no cost to undertake to the machine tools.
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Introduzione
Negli ultimi diecenni si è avvertito un incremento degli utilizzi energetici. Questa crescente richiesta di energia porta con se una considerevole moltitudine di problematiche. Prima fra tutte il costo dell’energia è drammaticamente aumentato e il suo impatto è diventato sempre più significativo sul processo produttivo. In secondo luogo la maggior richiesta di energia contribuisce fortemente alle emissioni dei gas serra come la CO2. Il settore
industriale, nostro ambito di studio, è il maggior utilizzatore di energia. Le nuove tecnologie, la gestione degli impianti e le direttive sull’energy saving sono i principali strumenti per arginare il problema del consumo energatico e contenere l’inquinamento dei processi produttivi. L’analisi della richiesta di energia sarà incentrata sulla singola macchina utensile che si inserisce nel contesto produttivo del settore industriale. Esistono tre punti di vista principali dai quali osservare il problema dell’utilizzo di energia da parte di una macchina utensile, che sono utente, costruttore e società. Ponendoci dal punto di vista del’utente della macchina andiamo a creare un modello che ci permetta di ottimizzare il consumo energetico di un centro di lavoro a controllo numerico.
Estratto dei Capitoli
Di seguito proponiamo l’estratto di ogni singolo capitolo, riportandone i concetti principali e presentandone la struttura. Questa breve introduzione dei capitoli mira a fornire una panoramica esaustiva sui contenuti generali della trattazione, rimandando ai capitoli corrispondenti per il dettaglio degli specifici argomenti. Capitolo 1
Nel primo capitolo vengono inizialmente introdotti le motivazioni che portano allo studio del consumo energetico, e di conseguenza all’attenzione sul risparmo energetico a livello globale, e successivamente incentrando la discussione sul settore di interesse, ossia quello industriale ed in particolare dei centri di lavoro.
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Capitolo 2
Il secondo capitolo presenta un'introduzione ai concetti principali su cui si basa questa tesi. Si ha una overview sullo stato attuale dell'arte per la valutazione del consumo di energia legato alle macchine utensili, quali ricerche sono state sviluppate ed in che direzione.
Capitolo 3
Il terzo capitolo è inizialmente incentrato sul punto di vista da cui si andrà ad affrontare l’analisi.Vengono successivamente descritti tutti i componenti di un centro di lavoro che partecipano all’utilizzo di energia dal punto di vista scelto. Di ogni componente viene definito un modello matematico di consumo che unito agli altri costituirà il modello che descrive il comportamento energetico di un centro di lavoro per operazioni di fresatura.
Capitolo 4
Nel capitolo quarto viene applicato il modello defino nel capitolo precedente ad operazioni di fresatura, analizzando il comportamento generale e dei singoli componenti.
Capitolo 5
Nel quinto capitolo è presentata l’ottimizzazione del processo di fresatura affrontato al capitolo quarto. Sfruttando l’ottimizzazione ad un parametro si confrontano le curve di ottimo dell’energia in relazione alle curve di ottimo dovute a costo e tempo di produzione.
Capitolo 6
Infine il sesto capitolo è dedicato alla presentazione delle conclusioni del lavoro di tesi e dei possibili sviluppi futuri.
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Capitolo 1 : Richiesta di Energia
In questo capitolo vengono introdotte le motivazioni che portano allo studio del consumo energetico, e di conseguenza all’attenzione sul risparmo energetico, argomento di forte attualità. Si orienta la discussione verso il settore industriale, nostro ambito di interesse, andando in particolare a toccare le macchine utensili.
1.1 Lo Sfruttamento Energetico
La crisi petrolifera degli anni ’70 ha portato a concentrarsi sulla questione energetica, in particolare sul rapporto tra domanda e offerta, con enfasi sulla fornitura di petrolio. È stato accertato che la combustione di combustibili fossili sono la principale causa del cambiamento climatico, dando il là ad una discussione globale sull’approvvigionamento energetico. E’ diventato un imperativo la valutazione dei fattori che contribuiscono al consumo di energia. Molteplici analisi sono state effettuate per comprendere le tendenze dei consumi energetici, per migliorne l'efficienza, prevederne la domanda futura e valutare le emissioni di anidride carbonica per misurare l'efficacia delle politiche relative all'energia.
Per decenni, le economie di tutto il mondo, soprattutto dell’Europa, sono state in grado di crescere rapidamente in base alla disponibilità praticamente illimitata di risorse ed energia a basso costo. I primi segni della dipendenza di energia sono diventati evidenti, come detto, nel 1970 con una serie di battute d'arresto economiche derivante dall’acquisizione della consapevolezza della limitatezza delle risorse. In quel decennio, l'acclamato libro dal titolo ‘‘I limiti dello sviluppo'’ [Mea72] ha evidenziato, per la prima volta, le conseguenze derivanti da risorse limitate. Da allora, nuove e grandi economie hanno partecipato alla competizione per accaparrarsi le risorse, mentre nella stessa misura sono state rese disponibili nuove fonti di energia. Attualmente (IEO 2011 ha come ultimi dati disponibili completi quelli del 2008) l’uso di energia nel mondo è di 505∙1024
Btu e, dalle previsioni, ci si apetterà un aumento del 53% nel 2035, raggiungendo i 770∙1024 Btu (Btu=British Thermal Units - 1 Btu=1055 kJ) (figura 1). Nel breve termine gli effetti della recessione globale del 2008-2009, che hanno ridotto l’uso energetico mondiale, cesseranno. Al pari delle nazioni che si riprenderanno dalla crisi, allo stesso modo la domanda di energia si rialzerà ed aumenterà fortemente, grazie anche alla crescita economica dei paesi in via di sviluppo. La crescita più rapida della domanda di energia si avrà nelle nazioni al di fuori dell'Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OECD - Organization for Economic Cooperation and
14 Development) definite non-OECD. Questo perché, negli ultimi decenni, i paesi dell'OECD hanno effettuato il passaggio da economie di produzione verso economie di servizio. Mentre i paesi non-OECD sono diventati i centri di economie di produzione. Inoltre, i Paesi membri dell'OECD hanno una maggiore conoscenza e coscienza sul consumo energetico. La domanda di energia per gli OECD cresce lentamente durante il periodo di proiezione, con un tasso medio annuo del 0,6%, mentre il consumo di energia nei paesi emergenti non-OECD la crescita mediamente sarà del 2,3% all'anno.
La ripresa mondiale dalla recessione economica del 2008-2009 continua ad avanzare, ma rimane irregolare. Nelle economie avanzate, la ripresa è lenta al confronto con i recuperi dalle recessioni del passato. In molte economie emergenti, la crescita rimane elevata, in parte guidata da forti afflussi di capitale e in parte dovuta agli elevati prezzi delle merci. Entro il 2015, la maggior parte delle nazioni del mondo avranno ripreso il loro tasso atteso di crescita a lungo termine prima della recessione. L’uso di energia futuro sarà guidato dalla domanda delle nazioni non-OECD. La forbice è destinata ad aprirsi ancora di più, se nel 2008 il consumo di energia nei paesi non-OECD è stato solo del 7% superiore a quello nei paesi OECD, avremo un divario del 38% nel 2020 e del 67% nel 2035 (Fig. 1).
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Valutando il consumo energetico per settori si nota che quello industriale è preponderante sugli altri, assorbendo più della metà dell’energia totale, ben il 52% nel 2008 (Fig 2)
L’industria nel mondo costituisce un settore diversificato che comprende le industrie manifatturiere (alimentari, carta, prodotti chimici, raffinazione, ferro e acciaio, metalli non ferrosi e minerali non metalliferi, tra gli altri) e le industrie non manifatturiere (agricoltura, industria mineraria e di costruzione). Prodotti chimici, ferro e acciaio, minerali non metalliferi, carta, e lavorazione di metalli non ferrosi assorbono la maggior parte dei consumi energetici industriali. La domanda di energia industriale varia tra regioni e paesi, a seconda del livello e di mix tra attività economiche e sviluppo tecnologico. Nella proiezione fatta, il consumo di energia industriale crescerà da 191∙1024 Btu nel 2008 a 288∙1024
Btu nel 2035 (Fig. 3).
16 La domanda mondiale di energia industriale si prevede aumenti in media del 1,5 % all'anno fino al 2035. Il settore industriale ha subito maggiormente la recessione economica del 2008, fatto che si è ripercosso sul consumo energetico nell’anno 2009, principalmente perché l'impatto dei tagli nel settore manifatturiero è più pronunciato rispetto all'impatto in altri settori. (Fig.4)
Figura 3 - World Delivered Industrial Energy Consumption 2008-2035 [IEO11]
Figura 4 - Annual changes in world industrial and all other end-use energy consumption from previous year, 2007-2011 (quadrillion Btu) [IEO11]
17
A lungo termine, i tassi di crescita economica e di consumo energetico ritorneranno alle tendenze previste (Fig. 5).
I prezzi variabili dei combustibili indeboliscono il loro consumo nel settore industriale, così da spingere le Imprese a scegliere il più economico dei combustibili a loro disposizione, per quanto possibile. Poiché i combustibili liquidi (i derivati dal petrolio) sono più costosi rispetto ad altri, il mondo industriale reagisce utilizzando le fonti più economiche così da generare un tasso di crescita solo dello 0,8% annuo. Tale quota è assorbita principalmente dall’energia elettrica, che può essere generata con molte fonti e utilizzata in una vasta gamma di attività industriali. La crescita dell’uso di energia elettrica è in media del 2,3% all'anno dal 2008 al 2035 (Fig. 6) [IEO11].
Figura 5 - World delivered energy consumption in the industrial and all other end-use sectors, 2005-2035 (quadrillion Btu) [IEO11]
18 Figura 6 - World industrial sector energy consumption by fuel, 2008 and 2035
(quadrillion Btu) [IEO11]
19
Attualmente, nei Paesi non-OECD l’uso di energia per l’industria cresce ad un tasso medio annuo di 2,1%, che è quasi 10 volte quello dei Paesi OECD. Per quest’ultimi il settore industriale assorbe circa il 45% dell’energia totale nel 2008, quota che resterà approssimativamente costante fino al 2035. La quota totale di energia per le nazioni non-OECD si espande con un ritmo annuo pari al 4,5%, così da ritrovarsi ad utilizzare nel 2035 il 65% della produzione mondiale di energia rispetto al 35% del 2008.
I motori principali della crescita del non-OECD sono il cosiddetto "BRIC" (Brasile, Russia, India e Cina). Le quattro nazioni hanno rappresentato il 42% della crescita economica globale dal 2007, e la loro quota di crescita si prevede continuerà senza sosta fino al 2035. Dato il ruolo predominante che l'industria pesante e manifatturiera gioca nelle loro economie, il BRIC è responsabile dei due terzi del consumo industriale dei paesi non-OECD.
Preponderanti nelle nazioni OECD sono le economie di servizio, che hanno portato l'uso dell'energia industriale a crescere con un tasso medio annuo di appena 0,5%, rispetto ad un tasso del 0,8% per l’uso energetico nel settore commerciale nel periodo dal 2008 al 2035.
Per settore commerciale intendiamo quelle imprese che non hanno rapporti diretti con manufacturing, aree residenziali o trasporti, come ad esempio Google. In aggiunta all’orientamento economico, la crescita lenta dei consumi
20 energetici industriali OECD può essere attribuita alla crescita relativamente lenta dell’economia manifatturiera.
Lo sviluppo industriale in tutto il mondo si tradurrà in maggiori consumi energetici e porterà ad una maggiore concentrazione di gas serra come l'anidride carbonica (CO2) e anche come l'anidride solforosa (SO2), ossidi di azoto (NOx) e
monossido di carbonio (CO), che tutti insieme hanno conseguenze disastrose per il clima della Terra [Mah02]. Il Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici [IPCC07] ha riferito che le emissioni continue porteranno ad un aumento della temperatura compreso tra 1,4°C e 5,8°C nel lasso di tempo che andrà dal 1990 al 2100. Inoltre, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America ha evidenziato che le emissioni globali di carbonio sono in aumento, e tale aumento è superiore al 2% all'anno e nel 2015 potrebbero essere oltre il 50% sopra il livello del 1997, tutto a causa della crescente domanda di energia e ad un inefficiente modo di utilizzarla [MSA09].
L'efficienza energetica nel settore industriale ha cominciato ad essere considerata una delle principali funzioni nel 1970. Da allora, il mondo ha utilizzato l’energia puntando alla massima efficienza, continuando a crescere economicamente, ed ha realizzato l'importanza di proteggere l'ambiente.
Nel settore industriale, le organizzazioni dei grandi impianti ad alto consumo energetico hanno affrontato il problema adeguando strutture e processi. Altre porzioni industriali sono ricorse ad investimenti che avessero un ritorno economico in tempi brevi, come il recupero di calore e la riduzione delle perdite [HO03]. Nel settore industriale, l'efficienza energetica può essere migliorata da tre differenti approcci:
1. Risparmio energetico grazie alla gestione (Energy Management).
2. Risparmio energetico sfruttando le nuove tecnologie (Energy Saving Technologies).
3. Risparmio energetico imposto da leggi/regolamenti (Industrial Energy Saving by Policies).
1.2 Energy Management
Tramite la gestione è possibile migliorare la padronanza dell’energia utilizzandola in modo strategico. Ciò può essere ottenuto regolando e ottimizzando l'energia utilizzando sistemi e procedure in modo da ridurre il fabbisogno energetico per unità di prodotto, mentre si tengono costanti o si riducono i costi di produzione dei vari output in questi sistemi [BEE10].
Al giorno d'oggi, la gestione dell'energia è diventato un argomento importante nelle industrie. Il top management della società partecipa alla pianificazione dei diversi progetti di gestione dell'energia. Le relazioni annuali di molte aziende hanno in voce i dettagli delle attività di risparmio energetico e le varie
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realizzazioni dalla società per quanto riguarda progetti di risparmio energetico. Per essere efficaci, i programmi di gestione energetica, devono contenere queste quattro sezioni principali [PKK+09]:
1. Analisi dei dati storici 2. Energia e controllo contabile
3. Analisi di ingegneria e proposte degli investimenti sulla base di studi di fattibilità
4. Formazione del personale e delle informazioni
Gli obiettivi della gestione dell'energia sono: minimizzare i costi di energia e gli scarti di produzione senza compromettere la produzione e la qualità, minimizzando inoltre gli effetti ambientali [BEE10]. La gestione come mission ha risvolti pressoché economici. Nelle sperimentazione di Mouzon et al [MYT07] sono presentate regole di dispatching per controllare una macchina in modo da ridurre al minimo il consumo di energia. Quando una macchina viene accesa, ci vuole un tempo di riscaldamento prima che sia pronta per elaborare una parte, tale energia è identificata come lo start-up energy, cioè l'energia necessaria per avviare la macchina. Per elaborare una parte la macchina consuma make-part power per unità di tempo. Idle è la potenza necessaria per unità di tempo che serve alla macchina quando è inattiva ma non spenta. La macchina richiede Stop Time per essere spenta, consumando stop energy.
La capacità di prevedere il prossimo arrivo di una parte (cioè l’interarrivo tra due parti) è una questione critica che deve essere considerata nel decidere se la macchina deve essere spento o meno. Sulla base del rapporto di spegnimento / avvio di energia e energy idle, si può trovare una regola di dispatching che dirà all’operatore/macchina di controllo se la macchina deve essere spenta per un certo periodo di tempo prima che arrivi il prossimo job.
= + [ ] (1.1)
Se il consumo durante l’interarrivo è maggiore di S, allora la macchina può essere spenta per un certo tempo e poi riavviata. Un altro esempio di gestione è fornito da Herrmann e Thiede [HT09] applicato ad una PMI con due linee di produzione. Sfruttano strategie di gestione per evitare picchi di domanda e riduzione del costo energia. Le soluzioni adottate sono rispettivamente asincronizzare le due linee, e spostare la produzione nell’orario notturno. In un altro articolo di Herrmann et al [HTKH11] vengono messe in luce delle variazioni di scenari organizzativi di alcune aziende. Grazie alla simulazione si riescono a valutarene i benefici dal punto di vista economico dell’utilizzo di energia dei diversi scenari.
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1.3 Energy Saving Technologies
L’utilizzo di tecnologie sempre nuove e dedicate a salvaguardare il consumo energetico ha un potenziale enorme. Il consumo energetico industriale può essere ridotto utilizzando tecnologie sui macchinari o sui sistemi ausiliari degli impianti, come ad esempio un variatore di velocità dei motori elettrici, motori ad alta efficienza, sistema di aria compressa con ugelli efficienti, sistemi di recupero del calore di scarto nelle caldaie, ecc.
Studi su macchine utensili hanno permesso di realizzare ad esempio degli inverter per il controllo delle stesse. L’elevata qualità superficiale, considerevole accuratezza del profilo del pezzo finito e ridotti tempi di lavorazione sono requisiti che solo le soluzioni di controllo digitale, ottenute tramite inverter, sono in grado di soddisfare.
Già solo implementando le modifiche procedurali e comportamentali, le industrie possono ottenere una riduzione di energia di almeno il 30% del potenziale complessivo di risparmio energetico. Solo il 43% dell’energia in ingresso nell’impianto viene applicata ai processi di lavoro, mentre il 57% viene persa o utilizzata in attività non produttive [PKK+09]. Utilizzando i dati sperimentali è possibile effettuare la modellazione statistica di efficienza della macchina utensile e considerare l’energia specifica consumata in lavorazione come funzione di diversi parametri. Per esempio, l’energia specifica consumata in un processo di fresatura verticale può essere ridotta aumentando l'avanzamento per dente [GDT06]. Gli studi effettuati in questo senso sono molti e verranno discussi in modo più approfondito nel seguente capitolo.
1.4 Industrial Energy Saving by Policies
La politica energetica è il modo in cui un determinato soggetto (spesso governativo) ha deciso di affrontare le questioni energetiche tra cui la produzione, distribuzione e consumo. Le azioni della politica energetica possono includere la legislazione, i trattati internazionali, gli incentivi agli investimenti, gli accordi, le linee guida per il risparmio energetico, la tassazione, gli standard di efficienza energetica e le etichette guida sull’energia [Jac09]. La politica energetica industriale può essere vista come uno strumento per lo sviluppo di un piano strategico a lungo termine, che copre un periodo di 5-10 anni, per aumentare l'efficienza energetica industriale e ridurre le emissioni di gas serra. Questa politica impegna non solo gli ingegneri e manager, ma include anche il governo, associazioni di categoria, istituzioni finanziarie, e altri. Ci sono molti tipi di politiche e programmi che sono stati utilizzati nei Paesi in tutto il mondo per migliorare l'efficienza energetica nel settore industriale. Alcune di queste politiche e programmi includono :
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1. Regolamentazioni / Standardizzazioni 2. Politiche Fiscali
3. Accordi / Obiettivi
4. Reporting / Benchmarking
Guardando più da vicino il contesto europeo abbiamo evidenziato delle specifiche direttive. La Direttiva 2005/32/CE, comunemente chiamata Direttiva EuP (Energy-using Products) è una direttiva dell’Unione Europea che riguarda l'elaborazione di specifiche per la progettazione ecocompatibile dei prodotti che consumano energia. Tale Direttiva è stata pubblicata nel 2005 ed è entrata in vigore nell’agosto 2007. Essa definisce un quadro normativo generale a cui i produttori di dispositivi che consumano energia (EuP) dovranno attenersi, già partendo dalla fase di progettazione, per incrementare l’efficienza energetica e ridurre l’impatto ambientale dei propri prodotti. Se da un lato la Direttiva fornisce soltanto indicazioni generali, dall’altro sono previste specifiche misure di implementazione per ogni categoria di prodotto. In sintesi, ogni misura di implementazione può essere considerata uno standard particolare, che stabilisce precise indicazioni per la valutazione della conformità di una determinata categoria di prodotto. Ogni misura di implementazione prevede, per ogni categoria di prodotto, parametri minimi di prestazione energetica e regolamentazioni ambientali. I prodotti che rientrano nella Direttiva EuP sono molti e si trovano in uno stadio diverso di sviluppo del processo EuP. Ne sono interessati, ad esempio: personal computer e monitor, apparecchi per l’elaborazione di immagini, ventilatori elettrici, condizionatori d’aria, frigoriferi e congelatori ad uso professionale, caldaie a combustibili solidi, asciugatrici, aspirapolvere, etc. Il 20 Novembre 2009 la Direttiva EuP (Energy using Products) 2005/32/CE è stata surrogata dalla Direttiva ErP (Energy related Products) 2009/125/CE. Rispetto alla Direttiva EuP, il campo d'applicazione è stato ampliato ed attualmente comprende sia prodotti che consumano energia (Energy using Products) come televisori, figoriferi e lavatrici, sia prodotti che influiscono sul consumo energetico (Energy related Products) e che possono contribuire significativamente al risparmio energetico attraverso il loro utilizzo, come, ad esempio, finestre, rubinetti e soffioni della doccia. La Commissione Europea non ha ancora pubblicato una lista di prodotti relativi alla nuova Direttiva. A partire dal 20 Novembre 2009, i prodotti dovranno essere conformi alla Direttiva ErP, non più alla EuP, per poter essere marcati CE. In questo contesto le Macchine utensili sono state identificate come uno dei principali prodotti, che utilizzano energia, da analizzare in una prospettiva di eco-progettazione, puntando alla riduzione del loro impatto ambientale. In seguito a questo, i costruttori di macchine utensili si sono impegnati ad adeguarsi ai regolamenti e sono alla ricerca di linee guida per migliorare i propri prodotti in un modo efficace e a basso costo. Per questo motivo il nostro lavoro si concentrerà sulle macchine utensili. [Ed09
24
1.5 Obiettivo della Tesi
Il lavoro di tesi si inserisce nel contesto di risparmio energetico per il settore industriale. L’obiettivo è quello di studiare il comportamento energetico di un centro di lavoro in controllo numerico per operazioni di fresatura. Lo studio è di particolare attualità visto che l’incremento sia dei prezzi che dell’utilizzo di energia portano all’attenzione dell’industria il problema del risparmio energetico. Il costo energetico è diventato una voce sempre maggiore all’interno dei bilanci, così ancor prima di salvaguardare l’ambiente l’industria mira a ridurre il costo energetico minimizzando la quantità di energia assorbita durante i propri processi. Il nostro lavoro è incentrato nel costruire un modello che riesca a descrivere l’utilizzo di energia durante un’operazione di un centro di lavoro. La lavorazione individuata per lo studio è stata una semplice spianatura in fresatura. Andando ad individuare tutti i componenti macchina che partecipano al consumo lungo il tempo di produzione, si è stilato un modello descrittivo del comportamento energetico da un punto di vista utente. Per ogni macrocomponente (ad esempio assi, frigorifero) è stato costruito un modello che permette di caratterizzarlo energeticamente e nel complesso di caratterizzare anche la macchina in modo dettagliato. Applicando il modello all’operazione di spianatura si andrà a valutare con che parametri l’operatore dovrà lavorare per minimizzare l’utilizzo energetico in diversi scenari.
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Capitolo 2 : Analisi della Letteratura
In questo capitolo viene presenta un'introduzione ai concetti principali su cui si basa questa tesi. Si ha una overview sullo stato attuale dell'arte per la valutazione del consumo di energia legato alle macchine utensili, quali ricerche sono state sviluppate ed in che direzione.
Struttura del capitolo
La letteratura relativa agli aspetti energetici nel settore manifatturiero è cresciuta rapidamente negli ultimi anni. In questa sezione passiamo in rassegna le opere più rilevanti apparse nella letteratura scientifica. Una particolare attenzione è dedicata ai contributi di ricerca che hanno a che fare con il consumo di energia nelle lavorazioni meccaniche. La classificazione è stata èffettuata secondo la tabella riportata nell’Allegato A. La letteratura è stata suddivisa nelle sei macro aree di seguito riportate:
1. Livello Ciclo di Vita della Macchina
2. Tipologia Lavorazione Macchinari Analizzati 3. Tipologia Modello
4. Livello Analisi
5. Tecniche Utilizzate per l'Analisi 6. KPI
Nella macro area uno sono stati collocati i documenti che interessano le fasi di vita della macchina utensile (beginning of life, middle of life, end of life) e che affrontano di conseguenza le tematiche inerenti a questa classificazione
Nella macro area due sono stati inseriti i documenti sulla base della lavorazione effettuata dalla macchine, che può essere di taglio o di formatura.
Nella macro area tre trovano spazio i modelli qualitativi o quantitativi.
Nella macro area quattro sono stati inseriti i documenti in base al livello di aggregazione dello studio, che può andare dalla singola macchina sino all’intero impianto.
Nella macro area cinque sono stati collocati gli studi in base alle tecniche utilizzate nell’analisi, che possono essere l’utilizzo di modelli matematici, simulazioni o esperimenti.
Nella macro area sei i documentri sono stati classificati in base agli indicatori energetici che trovano spazio al loro interno.
26 Nei prossimi paragrafi andremo ad affrontare il problema del consumo energetico partendo dagli aspetti generali sino a giungere al campo di nostro particolare interesse, ovvero il livello ciclo di vita della macchina.
Aspetti Generali in Manufacturing
Diversi autori hanno sottolineato l'importanza dell'efficienza energetica sull'impatto ambientale delle macchine utensili e processi produttivi in generale. Gutowsky et al. hanno investigato sul problema della riduzione degli usi energetici in aziende leader di Giappone, Europa e Stati Uniti operanti in diversi settori [GMA+05]. Essi hanno confrontato il consumo di energia in differenti processi produttivi in base a diversi criteri quali: l'energia specifica consumata dal processo, l’accuratezza, la produttività [GDT+07]. Secondo questo studio, l'energia specifica relativa ad un processo di produzione generalmente aumenta con l'aumentare dell’accuratezza. Per esempio, i processi di finitura consumano più energia che i processi di sgrossatura a parità di profondità di passata [HVD11]. Una tecnologia matura come la fusione o la lavorazione con le macchine sono state sottoposte a miglioramenti nel corso della loro evoluzione e di conseguenza sono più efficienti delle tecnologie introdotte di recente. In [GBD+09] Gutowsky et al. mostrano come modellare i processi di produzione attraverso l'analisi termodinamica. La definizione del confine del sistema è fondamentale per studiare l'energia relativa ad un processo di produzione [DV09, GBD+09, Gut10]. Infatti, includendo o meno l'energia spesa per fabbricare uno strumento o per la costruzione della macchina utensile, si può influire sui risultati delle analisi [DG04, RMA10, Raj10]. Pertanto, al fine di valutare in modo olistico un processo di produzione l'analizzatore dovrebbe guardare anche l'impatto della preparazione dei materiali (workpiece, fluidi, ecc.), la costruzione di macchine utensili e la produzione degli utensili.
2.1 Livello di Analisi ed Indicatori di Efficienza Energetica
L'efficienza energetica si propone di misurare 'quanto bene' l'energia viene utilizzata per produrre un output. Il calcolo degli indicatori, sia in unità fisiche che monetarie, varia a seconda del tipo di analisi da intraprendere. In generale, gli indicatori calcolati in unità monetarie vengono applicati all'analisi di efficienza energetica a un livello superiore di aggregazione, mentre gli indicatori di efficienza energetica espressi in unità fisiche sono più adatti ai livelli dettagliati di analisi.
Indicatori di efficienza energetica possono essere sviluppati in base a molte formulazioni differenti e ciascuno può essere utilizzato per rispondere a domande specifiche o generali relative alle prestazioni di efficienza energetica.
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La piramide (Fig. 9) illustra il sistema di indicatori di efficienza energetica che l'Agenzia Internazionale per l'Energia ha definito. Nella figura, gli indicatori al livello più alto di solito sono la produttività di energia o intensità energetica, e quelli a livello più basso sono, in generale, il consumo energetico per unità di prodotto o di consumo di energia specifica (SEC).
L’ intensità energetica (formula 2.1), è definita come la quantità di energia necessaria per generare un'unità di produzione economica [Ang06].
à = (2.1) La misura macroeconomica nota come intensità energetica è una misura dell'efficienza energetica del sistema economico a livello nazionale. Viene calcolata come unità di energia per unità di prodotto interno lordo (PIL). Alte intensità di energia indicano un alto consumo (e relativo costo) del convertire l'energia in PIL. Basse intensità di energia indicano un minore prezzo (e costo) del convertire l'energia in PIL. Quindi, questo rapporto misura l'intensità energetica dell'economia a livello aggregato. Calcolati su base annua, l'energia e PIL possono essere tracciati annualmente per mostrare le tendenze a breve e lungo termine. Una diminuzione del rapporto significa, una riduzione del
28 fabbisogno energetico per generare una unità di produzione nazionale. L’obiettivo auspicabile è la diminuzione di questo rapporto.
L'efficienza energetica (formula 2.2) è stata definita da Patterson [Pat96] :
=
(2.2)
Il denominatore dell'indicatore di efficienza energetica misura il consumo di energia, mentre il numeratore la potenza specifica. Ad esempio può essere utilizzato per analizzare l'energia consumata per prodotto da una macchina specifica all'interno di una officina [Can10].
Il consumo energetico specifico – SEC (formula 2.3), noto anche come unità di consumo energetico - UEC - o intensità Energia Fisica - PEI, è definito come l'energia consumata per tonnellata o prodotto fabbricato.
=
à (2.3)
Diversi autori (ad esempio [Pri10, Tan08]) ha adottato SEC come indicatore di efficienza energetica, sottolineando come l'applicabilità metta in luce i problemi di efficienza energetica. Anche se il modo tradizionale di misurare l'efficienza dal punto di vista ingegneristico è il rapporto tra l’uscita e l'ingresso (come l'efficienza energetica), il SEC sembra consentire una più facile visualizzazione ad ogni livello di aggregazione. Quindi, SEC sembra essere più efficace come indicatore di performance da adottare rispetto all’efficienza energetica, anche se può fornire le stesse informazioni in una forma diversa [Can10].
Il sistema di indicatori per l’efficienza energetica è ampiamente accettato ed è stato utilizzato per valutare l'efficienza energetica nazionale e industriale in molti paesi sviluppati. Da questo punto di vista, dal momento in cui avvengono gli eventi di risparmio energetico principalmente a livello di processo, si prevede che il risparmio energetico si verifichi ad un livello più basso. Approfondendo l’analisi è quindi possibile valutare il ruolo che il risparmio energetico ha in tutti i livelli dell'organizzazione, al fine di valutare il consumo di energia in diversi settori.
Indicatori di efficienza energetica possono essere stabiliti a livelli di aggregazione diversi a seconda della finalità dell'analisi necessaria. L'ambito in cui le differenze strutturali influenzano il consumo di energia dipende anche dal livello di aggregazione. Quando il livello di aggregazione è alto, si parla di "livello aggregato", ad esempio industria dell’automobile, o quando il livello di aggregazione è basso, si parla di "livello disaggregato", ad esempio separati indicatori per la produzione del motore.
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La Figura 10 mostra e illustra la varietà di indicatori di efficienza energetica che possono essere utilizzati in base al livello di aggregazione. Significa che gli indicatori di efficienza energetica possono essere costruiti dalle statistiche internazionali o nazionali o da dati di output provenienti da singole unità operative all'interno di un impianto.
Spostandosi più in basso nella piramide aumenta la comprensione dei molteplici fattori che influenzano le misurazioni più aggregate di efficienza energetica e, in definitiva influenzano altre variabili come il consumo energetico nazionale. Tuttavia, come indica la piramide, la quantità di dati richiesti alla sua base aumenta notevolmente, e l'acquisizione dei dati diventa sempre più faticosa. Determinare il livello di dettaglio appropriato per la costruzione di indicatori di efficienza energetica deve riflettere gli obiettivi delle analisi. Ci sono due tipologie di approcci:
1. Dal basso verso l’alto (Bottom-Up) 2. Dall’alto verso il basso (Top-Down)
L’approccio detto “Bottom-Up” , si riferisce ad indicatori che prendono in considerazione il livello disaggregato. All'interno del settore manifatturiero (ad esempio i singoli prodotti), a causa della diversità dei processi ed eterogeneità di prodotti, la creazione di un indicatore di efficienza energetica, basato su dati fisici disaggregati, comporta complesse questioni metodologiche. Per esempio, indicatori a base fisica (come indicatori termodinamici) sono normalmente
30 calcolati a livello disaggregato, mettendo in relazione il consumo di energia rispetto ad un certo prodotto, processo o servizio. Questo porta a utilizzare diversi termini per indicatori fisici in letteratura, come intensità di energia, consumo di energia dell'unità, consumo specifico di energia, ecc, come si vede nella Tabella 1.
Indicator Units Type Aggregation
Level Decision Level
Energy efficiency and SEC (Specific
Energy Consumption)
[GJ/ton of product] Physical-Thermodynamic Aggregated/ Disaggregated Strategic/ Tactical/ Operational Energy Intensity [MJ/Euro€] Economic-Thermodynamic Aggregated/ Disaggregated Strategic/ Tactical Total Energy Consumption or Energy Use
[GJ];[kWh] Thermodynamic Aggregated Strategic
Degree of
efficiency Factor
Physical-Thermodynamic Disaggregated Operational Thermal Energy
efficiency of equipment
[Mwh];[kWh] Thermodynamic Disaggregated Operational
Energy-GDP
ratio [€/GDP €] Economic Aggregated Strategic
Percent Energy
from renewable [%] Eco-Efficiency Aggregated Strategic
Eco-efficiency
Product or service value/Environmental
influence
Eco-Efficiency Aggregated Tactical
CO2 Emission [kg];[ton] Eco-Efficiency Aggregated Tactical
L'approccio bottom-up è diventato sempre più utilizzato, in quanto i suoi indicatori riflettono meglio i cambiamenti dell’efficienza energetica.
L’approccio “Top-Down” fa riferimento agli indicatori di livello aggregato. A livello aggregato (indicando ad esempio un settore), l’uscita utile è di solito misurata in termini di valore monetario. Gli indicatori a base monetaria vengono spesso utilizzati quando l'efficienza energetica è misurata ad un alto livello di aggregazione, dove non è possibile caratterizzare il settore con un unico indicatore fisico attraverso l'intero spettro di attività. Questi indicatori, che sono ottenuti come rapporto tra il consumo energetico espresso in energia e l'attività economica espressa in denaro, sono spesso indicati come intensità energetiche. Un esempio di questi indicatori è quello dell’energia rispetto al PIL [Mun10] descritto in precedenza.
31
Dal momento che le analisi del sistema produttivo sono attività complesse, le prime azioni da svolgere sono strutturare gli aspetti relativi all’efficenza energetica. Attraverso la gerarchia energetica nella produzione, possono essere dedotti interfacce e confini del bilancio di consumo energetico. I livelli di gerarchia che hanno una rilevanza notevole per le decisioni relative al consumo di energia e di risorse possono essere riassunti come segue (Fig. 11):
Di seguito sono descritti i livelli gerarchici rilevanti per la nostra analisi, tralasciando gli altri.
Componenti di macchine utensili: Insieme con il processo di lavorazione, i componenti di macchine utensili come i convertitori di energia sono i principali responsabili dei consumi energetici in produzione. Aumentare l'efficienza è il compito primario a livello di componenti. Lo sviluppo di componenti efficienti è il compito primario dei fornitori, ma aumentando l’efficacia delle dei componenti a livello macchina può minimizzare ulteriormente i consumi di energia.
Macchine utensili: Controllo e automazione è la competenza fondamentale della costruzione di macchine utensili. Oltre alla scelta dei componenti efficienti, due problemi di progettazione devono essere considerati. In primo luogo, va realizzato un ottimo task-dependent. Per esempio, questo sarà raggiunto grazie ad una adatta configurazione e ad una flessibilità di
32 riconfigurazione. In secondo luogo, un ottimo time-dependent garantisce modalità di funzionamento dei componenti.
Sistemi di produzione: Analogamente ai componenti-struttura-dipendenze sopra sintetizzate, a questo livello le macchine utensili considerate come componenti caratterizza l’efficienza del sistema. Inoltre, devono essere considerati i sistemi di automazione e movimentazione. Con un numero crescente di consumatori di energia, la gestione intelligente dell'energia diventa rilevante. In particolare l'energia reattiva e la gestione dei picchi di potenza diventano più efficaci a questo livello.
In generale è necessaria una collaborazione più profonda tra fornitori di macchine utensili e la pianificazione impianto. [NWR+10]
2.2 Tipologia della Lavorazione della Macchina
La tipologia di macchinari utilizzati nei paper esaminati varia a seconda del caso analizzato, è quindi necessario introdurre un distinguo a seconda della complessità delle operazioni eseguite. Avremo così operazioni di formatura, ove si avrà la preponderanza di un ciclo macchina definito e praticamente non modificabile, come ad esempio una pressa [SOA+10] e macchine con operazioni di taglio [MFIO11], che si possono articolare su più assi e dove, dato l’elevato numero di input, è più difficile ottenere un modello previsionale del consumo energetico.
2.3 Tipologia del Modello e tecniche di Analisi
La valutazione del consumo energetico, in linea di massima, si articola sulla formulazione di un modello di previsione, su di una fase di sperimentazione e sull’analisi dei risultati.
I modelli qualitativi producono semplicemente un’analisi della situazione in esame senza fornire strumenti [HT09] che possano portare benefici immediati, dando solamente delle linee di indirizzo verso la quale, secondo gli autori, orientarsi per raggiungere gli obiettivi di risparmio energetico.
Al contrario, i modelli quantitativi, impiegano strumenti utili alla previsione ed alla sperimentazione, fornendo così un valido supporto all’analisi della problematica. Molti articoli che impiegano quest’ultimo tipo di modello utilizzano equazioni matematiche basate sul concetto di pressione specifica come elemento di criticità verso i consumi energetici nella fase di asportazione di truciolo.
Per verificare la bontà dei modelli proposti vengono impiegate sia tecniche di simulazione numerica [SOA+10, HT09], sia tecniche sperimentali basate ad esempio su piani fattoriali [MFIO11, DGD03]
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2.4 Ciclo di vita della Macchina
Ogni macchina utensile è del tutto simile ad un qualsiasi prodotto, presenta alcune fasi che ne contraddistinguono la sua vita. Esse portano a parlare di ciclo di vita. [Appendice A]
Distinguiamo tre fasi all’interno della vita di una macchina utensile che sono: - Beginning of Life (BOL);
- Middle of Life (MOL); - End of Life (EOL).
La fase di BOL la intendiamo estendersi dalla progettazione della macchina, passando per la realizzazione fisica fino alla sua installazione.
Da qui inizia la fase di MOL che durerà per tutte le lavorazioni che la macchina eseguirà finché non verrà dismessa. Infine, l’ultima fase, l’EOL, comprende lo smaltimento della macchina stessa. Vediamo qualche aspetto legato alle macchine in generale.
2.4.1 Beginning of Life
Il Beginning of life (BOL) è la fase di progettazione e realizzazione della macchina utensile, che può essere realizzata nell’ottica di una riduzione di consumo di energia nella fase operativa. Le richieste di moderne macchine utensili sono in continuo aumento. L'obiettivo principale è quello di aumentare la produttività, mantenendo, per quanto possibile, i costi di approvvigionamento costanti o addirittura ridotti. L'efficienza energetica delle macchine utensili sta diventando sempre più rilevante ed è uno dei punti focali della UE sulla progettazione eco-compatibile [DGD03]. La progettazione ecologica deve essere parte del background delle nuove macchine. Nel contesto progettuale ricade la struttura della macchina. Utilizzando ‘design leggeri’ si cerca di garantire maggiore efficienza energetica delle macchine utensili [NWR+10]. L'approccio ‘leggero’ può essere illustrato con il cosiddetto fattore leggero (formula 2.4) - il rapporto tra modulo elastico e densità per i materiali o il rapporto tra rigidezza e massa per le strutture (tenendo in considerazione la geometria):
ℎ ℎ = = (2.4)
L’obiettivo è avere un fattore di leggerezza più alto possibile per i componenti della macchina. Sotto queste ipotesi Kroll et al [KBW+11] hanno considerato diverse strategie di costruzione leggera valutando l’impatto della riduzione della
34 massa sul consumo. Eseguendo analisi di sensività sono state discusse in dettaglio le potenzialità di riduzione diretta delle perdite di energia elettrica in alimentazione. Essa mostra che una riduzione del peso del 30% può portare direttamente ad abbassare le perdite di potenza elettrica di un servoazionamento addirittura fino al 50% (a seconda del servoazionamento e dell'accelerazione). Una performance migliore attraverso maggiori accelerazioni e dinamica della macchina migliore porta ad una riduzione del carico di base delle macchine utensili e da tempi più brevi di truciolo. Un altro aspetto che ricade nel BOL sono le attrezzature ausiliarie che formano il sistema macchina utensile. L’impatto delle strutture ausiliarie risulta notevole sul consumo energatico della macchina utensile come valutato in diversi studi [VD10, Kor02]. Nel BOL ricadono, anche, le migliorie agli assi della macchina percorrendo soluzioni progettuali nuove. Gli assi della macchina sono dotati di motori, per il loro azionamento, e sistemi di minimizzazione degli attriti. Questo ad esempio attraverso l’uso di aria compressa che percorre i canali delle guide. Inoltre questi assi accelerano masse anche di peso importante, studi come Bretschneider [Bre10] propongono accorgimenti per il ricupero di energia cinetica (quindi un recupero di energia elettrica) in decelerazione. Altro aspetto che rientra nella fase di BOL sono gli studi su mandrino e motore. In questa tematica rientrano quegli aspetti che riguardano le tecniche costruttive e la conduzione del motore elettrico e del mandrino, volte al risparmio energetico, come evidenziato da Bretschneider [Bre10] dove vengono riportate degli esempi su alcune tecniche costruttive del mandrino.
2.4.2 Middle of Life
Con la definizione middle of life intendiamo quella fase della vita della macchina che si estende dalla sua istallazione sino alla sua dismissione. Il vantaggio di agire in questa fase è dato dal fatto di potere intervenire sull’ampio numero di variabili (parametri di taglio, regole di dispatching e produzione etc.) che permettono di ottimizzare il consumo energetico. Si possono avere diverse strade da percorrere sfruttando la gestione del processo di lavorazione e la gestione della produzione.
La gestione del processo implica quelle attività che ricadono nella fase di lavorazione della macchina utensile che possono riguardare i parametri di taglio, l’adduzione di liquidi lubrorefrigeranti, l’uso di utensili specifici e il controllo della potenza utilizzata.
Gutowski e Dahmus [GDT06] hanno realizzato un diagramma di flusso dei materiali per l'analisi ambientale del processo di lavorazione, come mostrato nella Fig. 12, in modo da ottenere un’impostazione di Life Cycle Inventory (LCI).
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Per Life Cycle Inventory (LCI) intendiamo quella attività che registra tutti le tipologie e le quantità di materiale, oltre che tutti le forme e quantità di energia che servono per la produzione, l’utilizzo e lo smaltimento, se possibile, dei prodotti. La produzione di un prodotto comprende l'estrazione e la lavorazione delle materie prime. Poichè altri prodotti e servizi sono necessari per la produzione, utilizzo e smaltimento, bisogna definire uno scopo. Questo scopo determina quali elementi devono essere assegnati in più al prodotto e quali no. Tale scopo viene indicato come confine di sistema o quadro di inventario.
Le aziende manifatturiere possono influenzare il consumo di energia nella fase di lavorazione adottando opportune strategie durante le fasi di produzione dei prodotti.
Dahmus e Gutowski [DG04] hanno dedotto che l'energia necessaria per il processo di asportazione di truciolo può essere per la maggior parte spesa per i sistemi ausiliari, invece che per la fase di lavorazione. I sistemi ausiliari hanno la funzione di supportare la macchina nella produzione delle parti, includono: la movimentazioni, il raffreddamento, lubrificazione, rotazione del mandrino, rimozione del truciolo, cambio utensile, cambio pallet, ecc. Altri studi hanno confermato che, oltre il 50% dell'energia della macchina è consumata da sistemi ausiliari [MYT07, GDT+07, DKD +10, DV09, GBD+09, Raj10, Fra10]. Da studi sperimentali è emerso che i sistemi di raffreddamento e di lubrificazione utilizzano la maggior parte dell'energia ai medi regimi di una macchina utensile.
36 L'energia consumata dai dispositivi ausiliari possono essere suddivise in un contributo fissa e uno variabile. Un valore di potenza fisso è sempre speso dalla macchina quando è accesa, sia quando la macchina è operativa sia quando è inattiva. Un'altra parte è variabile e dipende dal carico della macchina. L'energia totale assorbita dai sistemi ausiliari è significativo e sarà un obiettivo di miglioramento per i costruttori di macchine utensili nel futuro prossimo [PKK+09].
Dai risultati di uno studio di Gutowski [GDT06], il fabbisogno di potenza elettrica, P, per la lavorazione può essere calcolata utilizzando la formula 2.5.
= + ∙ (2.5)
dove, P è la potenza [W] consumata dal processo di lavorazione, P0 è la potenza
[W] consumata da tutti i moduli della macchina funzionante a carico nullo (macchina accesa che non sta lavorando pezzi), k è il fabbisogno energetico specifico nelle operazioni di taglio [N/mm2], e MRR è il tasso di rimozione del materiale, in [mm3 / s].
Come mostrato nella equazione 2.5, il fabbisogno energetico per il processo di lavorazione dipende dall’energia consumata e dall’energia necessaria alle operazioni di taglio.
I valori rappresentativi di energia specifica per la lavorazione di materiali diversi dipendono dalla combinazione dei materiali del pezzo e dagli utensili utilizzati. Così, dalla equazione 2.5 la potenza totale per la lavorazione può essere scomposta in due parti, vale a dire il consumo in stand-by (idle) (P0) e la potenza
di lavorazione (k∙MRR). Il consumo in idle è la potenza necessaria per la funzionalità delle apparecchiature di supporto alla macchina. Per esempio la potenza necessaria per avviare il computer , le ventole, il motore, la pompa del liquido di raffreddamento, ecc… La potenza P assorbita da una macchina utensile con un motore trifase, viene calcolata con la formula 2.6:
= ∙ ∙ √3 (2.6) dove V è la tensione [V] e I è la corrente [A].
L'energia necessaria E [J] per il processo di lavorazione si può dedurre dal prodotto di potenza dell'equazione 2.5 per un tempo t, ottenendo l'equazione 2.7
= ( + ⋅ ) (2.7) dove t è il tempo impiegato per la lavorazione [s].
Avram e Xirouchakis propongono un approccio di simulazione per stimare la potenza assorbita dal mandrino e dagli assi di avanzamento per alcune operazioni di fresatura selezionando pezzi 2.5D [AX11]. Essi mostrano che i
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valori di potenza stimata dalla simulazione possono variare in maniera significativa dalla media stimata con le tradizionali tecniche del ciclo di vita (LCA).
Kalla et al [KOTG09] ha sviluppato lo stesso modello di LCI per unità di processo (uplci) su quattro lavorazioni differenti: tornitura, fresatura, tranciatura e foratura. Focalizzandoci sulla definizione della richiesta energetica in tornitura, abbiamo il profilo di energia totale durante il tempo di lavorazione. Vengono successivamente definite le caratteristiche energetiche nei vari step (Fig.13), a partire dal setup macchina durante l’accensione, passando per il fissaggio del pezzo, rapidi, taglio, sino allo scarico del pezzo. Queste fasi rientrano in tre step di potenza e l’energia totale è data dalla (formula 2.8):
= ∙ ( ) + ∙ ( ) + ∙ (2.8)
( ) ( ) ( )
Anche se i miglioramenti di efficienza lungo gli ultimi 20 anni sono stati visibili, sono stati affrontati solo circa il 50% delle linee guida fondamentali per il risparmio energetico. La capacità di consentire agli utenti di spegnere i sistemi in parte o per intero o avere sistemi di alimentazione ad un livello basso quando non sono in uso, non sono ancora pratica comune. I processi di produzione sono Figura 13 - Determination of power characteristics and energy requirements of
38 stati sistematicamente sviluppati ed analizzati al fine di raggiungere attraverso l'innovazione la massima efficienza in associazione con condizioni economiche di produzione [Fik96]. La normativa ambientale ha definito che l'industria manifatturiera deve assumere un ruolo attivo nello sviluppo di processi produttivi puliti e riciclabili. L'obiettivo finale è lo sviluppo sostenibile, dove i rifiuti e i prodotti indesiderati di un processo diventano la materia prima per un altro [KR96, YBC97]. Alcuni miglioramenti, tra cui l’ottimizzazione dell'uso di materiale, la riduzione al minimo dell'uso di fluidi da taglio, e la riduzione l'energia di taglio, hanno importanti conseguenze ambientali. Per esempio, i fluidi lubrorefrigeranti, hanno sollevato questioni sulla salute dovute al loro utilizzo e questioni ambientali derivanti dal loro smaltimento, questioni che sono state spesso studiate, ma con un’ulteriore area di potenziale miglioramento.
La Fig. 14 illustra i diversi ingressi e le uscite per i processi di lavorazione. I processi ausiliari dovrebbero essere usati con parsimonia e la specifica dei parametri di processo dovrebbero ottimizzare la vita dell’utensile. Le sostanze pericolose così come i residui e le emissioni devono essere evitati o almeno i loro volumi devono essere ridotti al minimo. Sono state condotte alcune analisi di sistema focalizzate sull'impatto ambientale delle lavorazioni [GMA+01, JASR10].
Diversi studi sulle lavorazioni a secco e con fluido hanno stabilito i pro e i contro, e le condizioni necessarie per le lavorazioni.
Nelle lavorazioni ad alta velocità, si è promosso ampiamente il taglio a secco ed il taglio quasi a secco, che aiutano a mitigare gli effetti dei fluidi da taglio nei confronti dell’ambiente. L'uso di fluidi da taglio nella lavorazione è segnalato
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come pericolo potenziale per l'ambiente e per gli operatori. Key et al [KRA66] hanno riportato che l'esposizione agli oli solubili ed ai refrigeranti sintetici, ai quali è sottoposto l’operatore, può causare malattie della pelle come la dermatite. Quindi, l’eliminazione dei fluidi da taglio può contribuire a creare un ambiente più pulito e anche ridurre i costi di processo. Le ricerche dimostrano che utilizzando il taglio a secco, il consumo di energia per il processo di lavorazione può essere ridotto dal 16% al 4% [RM10, UK08].
Uno degli svantaggi in lavorazione a secco è, come detto, che a causa del carico termico e dell'attrito tra utensile e materiale da lavorare si riduce la durata dell'utensile stesso. Nelle lavorazioni quasi a secco si fa spesso riferimento ad una quantità minima di lubrificanzione (MQL - Minimum Quantity Lubrification). Questa piccola quantità (10-50 ml MQL medio per macchina all’ora) viene generalmente fornita sotto forma di aerosol [WISW04].
Un altro sistema di lubrificazione nelle lavorazioni quasi a secco che ha guadagnato interesse è il raffreddamento criogenico. Il raffreddamento criogenico utilizza azoto liquido fornito attraverso un apposito microugello. Questo metodo ha il potenziale di sostituire il raffreddamento convenzionale, soprattutto per i materiali difficili da lavorare come, ad esempio, le lega di titanio e i compositi a matrice metallica (MMC). Il fluido di raffreddamento tipicamente azoto liquido, viene sparato nell’area di contatto utensile-pezzo che ha una temperatura elevata durante la lavorazione. L'evaporazione di azoto liquido, abbassa il coefficiente di attrito tra il truciolo e utensile così da prolungarne la durata [HMJ01]. Tuttavia, questo lavoro non ha discusso i consumi di energia nel pompaggio dell'azoto liquido che aumenta l'energia consumata per il processo di lavorazione.
Campatelli [Cam11] esegue un esperimento per minimizzare l’impatto ambientale di un processo di tornitura focalizzato sul consumo energetico e sul trattamento degli oli di scarto/altri scarti. La sperimentazione è stata condotta attraverso l’impiego di tre tipologie di raffreddamento come illustrato in tabella 2.
Tabella 2 - Environmental impact sources [Cam11]
