Le spese per un motore, nella sua vita, sono in media dovute per il 98,4% al consumo di energia elettrica e solo per l'1,6% al prezzo d'acquisto ed alla manutenzione
LA PRODUZIONE sostenibile e l'uso razionale dell'energia elettrica rappresentano oggi alcune tra le maggiori sfide per l'umanità. Se si pensa, infatti, che la popolazione mondiale, oggi prossima ai 7 miliardi di abitanti, in 10 anni è cresciuta del 12%, il consumo di energia primaria è aumentato del 20%, mentre quello dell'elettricità del 30%, nonostante 1,6 miliardi di persone non possano ancora disporne, si capisce come l'energia elettrica sia una risorsa sempre più importante. Si tratta di un problema alla cui soluzione tutti devono contribuire, alla luce anche delle prospettive future: la richiesta di energia elettrica prevista per il 2030 è pari al doppio di quella del 2007 ed assorbirà per la sua produzione il 44% delle risorse energetiche. a questi dati si aggiungono anche quelli relativi all'impatto ambientale conseguente: nel mondo, il 40% della CO immessa in atmosfera (10 milioni di tonnellate) proviene dalla produzione di elettricità, un valore cui l'Europa contribuisce per un 14%.
Solo in Cina, nel triennio 2006-2008 sono entrate in servizio circa 300 MW/giorno di nuove centrali, delle quali l'80% a carbone: la loro produzione di CO 2 supera di molto quella di tutte le centrali dell'Europa dei 27.
Ridurre i consumi di energia
Nel 2008, il settore industriale ha assorbito il 48% del consumo italiano di energia elettrica, pari a circa 151 TWh. Circa il 75% di questi consumi sono legati all'utilizzo dei motori elettrici, macchine molto affidabili, che svolgono il loro lavoro per molti anni con manutenzione ridotta e si adattano a prestazioni diverse in funzione delle esigenze. Per questo, normalmente, non ci si preoccupa del loro consumo, ma solo del prezzo d'acquisto. Se si considera, però, che le spese per un motore, nella sua vita, sono in media dovute per il 98,4% al consumo di energia elettrica e solo per l'1,6% al prezzo d'acquisto ed alla manutenzione, si può ben comprendere quali siano i benefici energetici e ambientali che derivano dall'utilizzo di motori a maggiore efficienza e di sistemi in grado di controllarne la velocità in funzione delle reali esigenze di ogni applicazione, evitando il funzionamento alla massima potenza quando non richiesto. attualmente, infatti, è ancora molto diffusa la prassi di gestire i motori con la semplice modalità on/ off, oppure regolando i parametri dell'impianto con altri dispositivi quali valvole, serrande, eccetera.
Motori elettrici ad alta efficienza La ricerca mette oggi a disposizione innovative tecnologie dei materiali che, unite ad una più attenta progettazione, capace di ottimizzare le parti attive, consente di costruire motori con minori perdite rispetto a quelli tradizionali. In un motore elettrico, la riduzione di efficienza è legata a diversi fattori: perdite meccaniche, dovute all'attrito (cuscinetti, spazzole) ed alla ventilazione; perdite nel ferro a vuoto (proporzionali al quadrato della tensione): per isteresi, a causa dell'energia dispersa nei cambi di direzione del flusso; per correnti parassite circolanti nel nucleo, indotte dai cambiamenti di flusso; perdite per effetto Joule (proporzionali al quadrato della corrente) negli avvolgimenti dello statore e del rotore. Nei motori ad alta efficienza, queste perdite sono state ridotte grazie ad interventi sui materiali oppure modificando alcuni elementi costruttivi: realizzando il nucleo con lamierini in acciaio a basse perdite a vuoto; maggiorando la sezione dei conduttori dello statore e del rotore per diminuire le perdite per effetto Joule; ottimizzando la scelta del numero e della geometria delle cave.
Tutte queste modifiche, inoltre, portano ad una minore produzione di calore consentendo, di conseguenza, l'utilizzo di ventole di raffreddamento più piccole, riducendo le perdite meccaniche. È stato così possibile costruire motori che, a parità di potenza, presentano un rendimento migliore di quelli standard, con una curva più piatta, in grado di assicurare, anche in caso di variazioni del carico, un rendimento sempre prossimo a quello ottimale.
Normativa
Nel 1999 il Cemep (Comitato Europeo Costruttori Macchine Rotanti ed Elettronica di potenza) e la Commissione Europea hanno raggiunto un accordo volontario in merito alla costruzione dei motori di potenza. L'accordo riguardava i motori asincroni trifase di bassa tensione con rotore a gabbia in cortocircuito unificati, autoventilati, in costruzione chiusa IP 54 e IP 55, alimentati a tensione di 400 V, 50 Hz, in una gamma di potenza compresa tra 1,1 kW e 90 kW, a 2 e 4 poli, per servizio continuo S1. Sono stati stabiliti tre livelli di efficienza : Eff1 (motori ad alta efficienza), Eff2 (motori ad efficienza migliorata) ed Eff3 (motori tradizionali), per ognuno dei quali sono stati definiti i rendimenti minimi.
Questo accordo volontario era fino a poco tempo fa il principale riferimento per la classificazione del rendimento dei motori elettrici. La nuova Direttiva europea EU Meps (acronimo di European Union Minimum Energy Performance Standards), che fa parte del progetto Eu eco-design, il cui scopo è quello di ridurre il consumo di energia elettrica e di conseguenza diminuire i costi energetici e le emissioni di CO 2 , è nata con l'intento di vietare l'introduzione nel mercato di motori inefficienti e diventerà effettiva in tre differenti fasi, a partire dalla metà del 2011.
La nuova normativa, basandosi su standard internazionali, rappresenta un passo importante verso l'armonizzazione a livello globale delle diverse regolamentazioni in materia di efficienza. L'EU Meps si applica ai motori trifase 2, 4 e 6 poli singola velocità, con potenze da 0,75 kW a 375 kW inclusi, tensione fino a 1.000 V, operanti in servizio continuo. Sono escluse le seguenti tipologie di motori: z motori progettati per operare totalmente immersi in liquido; motori completamente integrati in un prodotto (ad esempio, pompa o ventola) dove non sia possibile provare il rendimento del motore in maniera indipendente dal resto del prodotto; motori progettati specificatamente per operare: ad altitudini superiori ai 1.000 metri sul livello del mare; in luoghi con temperatura ambiente superiore ai 40 °C; con temperature di lavoro superiori ai 400 °C; in luoghi con temperatura ambiente inferiore ai -15 °C (qualsiasi motore) o inferiore a 0 °C ( nel caso di motori raffreddati ad aria); qualora la temperatura del liquido di raffreddamento utilizzato sia inferiore ai 5 °C o superore a 25 °C; in aree classificate così come definite dalla Direttiva 94/9/EC; z motori autofrenanti. I produttori dovranno determinare i livelli di efficienza dei loro motori utilizzando le norme pubblicate dalla Iec (International Electrotechnical Commission).
I metodi di prova sono, infatti, specificati dalla Iec 60034-2-1: 2007, mentre le classi di efficienza sono definite dalla Iec 60034-30: IE1 - Efficienza standard: livelli di efficienza fondamentalmente equivalenti alla classe Eff2; IE2 - alta Efficienza: livelli di efficienza fondamentalmente equivalenti alla classe Eff1 e identici agli Epact americani per i 60 Hz; IE3 - Premium Efficiency: si tratta di una nuova classe per l'Europa, identica alla "Nema Premium" americana per i 60 Hz, con limiti inferiori a quelli fissati per la classe IE2 in una percentuale compresa tra il 15% e il 20%.
Calcolo dell'efficienza dei motori elettrici
L'efficienza di un motore è definita come il rapporto tra la potenza (meccanica) di uscita e la potenza (elettrica) in ingresso e questo rapporto può essere misurato in maniera sia diretta, sia indiretta. Il primo metodo calcola la potenza in ingresso sulla base della tensione e della corrente assorbita, mentre la potenza resa in funzione della velocità di rotazione e della coppia. Il metodo indiretto calcola la potenza in ingresso e quella resa sulla base delle perdite che si generano all'interno del motore, in cinque principali aree: perdite nel rame; perdite nel ferro; perdite nel rotore; perdite per attrito e negli avvolgimenti; perdite addizionali di carico. Di queste, le prime quattro possono essere determinate attraverso la potenza in ingresso, la tensione, la corrente, la velocità di rotazione e la coppia. Le perdite addizionali di carico sono molto più difficili da calcolare.
La norma Iec 60034-2-1 specifica tre diversi metodi per la loro determinazione, con differenti gradi di incertezza (basso, medio e alto). La norma Iec 60034-30 stabilisce, tuttavia, che per i motori di classe IE2 e IE3 è accettabile solo il metodo a basso grado di incertezza, che ne prevede la determinazione attraverso la loro misura. I vantaggi economici di un motore ad alta efficienza Per valutare la convenienza economica dell'utilizzo di un motore ad alta efficienza, si devono valutare 3 possibili scenari: acquisto di un nuovo motore; acquisto di un motore ad alta efficienza, invece di ripararne uno guasto; sostituzione di un motore in servizio con uno ad alta efficienza.
In generale, la valutazione di investimenti di questo tipo dipende dai seguenti parametri: costo dell'energia e della potenza impegnata; potenza nominale del motore; rendimento nominale del motore; fattore di carico del motore; ore di funzionamento annue del motore. Azionamenti a velocità variabile Un ulteriore risparmio sui costi energetici si può ottenere, oltre che con l'utilizzo di motori ad alta efficienza, anche con l'impiego di azionamenti a velocità variabile, in cui il funzionamento dei motori viene controllato dai convertitori di frequenza (inverter). Le applicazioni in cui tale risparmio è particolarmente rilevante sono quelle, molto diffuse nell'industria, relative a pompe, ventilatori e compressori. L'utilizzo di un inverter consente di regolare la portata del fluido (acqua o aria) variando direttamente il numero di giri della pompa o del ventilatore, senza fare ricorso a sistemi meccanici altamente dissipativi come valvole, serrande, by pass. gli inverter permettono anche di regolare la portata in funzione di un parametro specifico dell'impianto, come ad esempio la temperatura, la pressione, la fascia oraria; inoltre, concorrono anche alla riduzione dei costi di manutenzione, all'abbattimento della rumorosità dell'impianto ed al rifasamento del carico ad un valore di cosfi prossimo a 1 (tipicamente 0,98).
Il Decreto Ministeriale 9 aprile 2008, relativo all'acquisto e all'installazione di motori ad alta efficienza e inverter, prevede fino al 31 dicembre 2010 una detrazione fiscale del 20% (cumulabile con altri incentivi predisposti dagli Enti locali e con la richiesta di Certificati Bianchi) delle spese effettivamente sostenute per: acquisto e installazione di motori elettrici in classe Eff 1 con potenza compresa tra 5 e 90 kW; acquisto e installazione di variatori di velocità di motori elettrici con potenze comprese tra 7,5 e 90 kW.