risparmio energetico

A i
Azionamenti
ti Elettrici
El tt i i
a Velocità Variabile:
RISPARMIO
ENERGETICO
© Siemens AG 2007 - Subject to changes without notice
Il risparmio energetico
Cenni storici
• La sensibilità a livello mondiale verso il risparmio energetico è
cresciuta negli ultimi anni.
Una delle tappe significative nel percorso che dovrebbe portare ad una
inversione di tendenza è stata la conferenza di Kyoto del Dicembre 1997.
• In quella sede si sono fissati diversi obiettivi per quanto riguarda la
riduzione delle immissioni di gas nell’atmosfera.
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A&D Standard Drives
Il risparmio energetico
Alcuni obiettivi
• Progressivo abbandono delle sorgenti di energia di tipo tradizionale
(petrolio, carbone, metano) a favore delle fonti rinnovabili (eolica,
solare,
l
geotermica).
t
i )
• Sostituzione degli attuali sistemi utilizzatori di energia, generalmente
di basso rendimento, con altri caratterizzati da una più alta efficienza.
• Riduzione dell’emissione di CO2.
• L’Italia ha l’impegno di ridurre le emissioni del 7%.
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Panoramica dei componenti
Motore
Oggi motori asincroni trifasi a induzione (semplici,
basso costo,
costo alta efficienza,
efficienza alta affidabilità….)
affidabilità )
+
Regolatore di velocità
Per regolare
g
la velocità di un motore a induzione è
necessario un regolatore elettronico chiamato
CONVERTITORE DI FREQUENZA (più comunemente
INVERTER)
=
RISPARMIO ENERGETICO
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Premessa
I fatti parlano da soli:
ƒ Negli
N li impianti
i i i industriali
i d
i li gli
li azionamenti
i
i consumano quasii il 70
0 % del
d l
fabbisogno energetico
ƒ Grazie all’impiego di convertitori di frequenza e motori ad alta efficienza,
nella sola UE è possibile risparmiare complessivamente 43 TWh di
energia pari a circa 3 miliardi di Euro o all’energia prodotta da 19 centrali
elettriche funzionanti con combustibili fossili.
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Riflettiamoci un po’ su
Iniziate a riflettere sull’efficienza energetica:
….”ne vale davvero la pena”!!!
L’investimento viene ammortizzato in brevissimo tempo; a seconda del tipo
di impiego, spesso anche entro pochi mesi.
Ai fini della scelta della tecnica di automazione più adatta conta soprattutto una cosa:
considerando il tempo di utilizzo, il fattore che incide di più non è il prezzo d’acquisto,
sono i costi di esercizio.
Ecco perché è essenziale fare dei calcoli preventivi.
In questo noi possiamo aiutarvi
.
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Un’analisi veloce
Scoprite
p
se l’impiego
p g dei sistemi di azionamento ad alta efficienza energetica
g
vi
conviene.
Analizzate subito i vostri impianti utilizzando la seguente checkcheck-list per l’energia.
Più il numero di risposte positive sarà alto, più il vostro potenziale di risparmio sarà
elevato.
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A&D Standard Drives
Nuovo….o ammodernamento?
N
Nuovo
iimpianto
i t o ammodernamento?
d
t ?
ƒ In quasi ogni azienda si nasconde un potenziale di risparmio.
ƒ Bisogna decidere caso per caso se ha senso installare un impianto
completamente nuovo o se è sufficiente un ammodernamento dell’impianto
esistente.
Per quanto riguarda gli ammodernamenti,
è determinante l’applicazione specifica:
più è alto il consumo energetico dell’applicazione e il
numero di ore di esercizio degli azionamenti nel
funzionamento a carico parziale, più il costo dei sistemi ad
alta efficienza energetica verrà ammortizzato rapidamente.
Nel caso degli impianti nuovi è
piuttosto facile calcolare i tempi di
pp
ammortamento del sovrapprezzo
pagato per la soluzione azionamento
ad alta efficienza energetica
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A&D Standard Drives
Motori e inverter
Brevemente un po ‘ di teoria….
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I metodi di avviamento/controllo di un motore asincrono trifase
Diretto.
Diretto
Soft starter.
I
Inverter
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Motore asincrono in funzionamento continuo sulla rete
Linea trifase principale
3 AC, 400V, 50 Hz
Motore
Asincrono
Contattore
Velocità
costante
Soluzione per:
• Funzionamento in continuo
• Velocità costante
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Condizioni di cui bisogna tener conto:
•
•
•
•
Alta corrente all‘avvio
Improvvisi sbalzi di coppia
Nessun controllo della frenata
Protezioni motore (motore bloccato
o sovraccaricato))
A&D Standard Drives
Soluzione con Soft Start a velocità costante
Linea trifase principale
3 AC, 400V, 50 Hz
Soft Starter
Contattore
Motore
Asincrono
Velocità
Costante
Soluzione per:
• Velocità costante
• Minimizzare lo stress della
meccanica
• Nessuna alta corrente all‘ avvio
• Decelerazione
D
l
i
controllata
t ll t
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Condizioni di cui bisogna tenere conto:
• La
L velocità
l ità dipende
di
d dallo
d ll
scorrimento
• Protezione motore (il motore può
essere bloccato o sovraccaricato))
A&D Standard Drives
Soluzione per velocità variabile
Linea trifase principale
3 AC, 400V, 50 Hz
U
Convertitore di
frequenza (inverter)
t
U
Motore
Asincrono
t
U
t
Convertitore
Soluzione atta per:
• Se è richiesta una variazione di
velocità
l ità
• Risparmio energetico
• Accelerazioni e frenate regolate
g
possibile
p
• Frenata rigenerativa
(opzione)
• Operazioni possibili a frequenze
> 50 Hz. significa anche poter
aumentare la produttività di
macchine già esistenti (retrofit)
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Velocità
V
l ità
variabile
•
•
•
•
Maggior costo ...
richiede una messa in servizio...
... ma viene compensato da:
Risparmio energetico
Minore usura delle parti meccaniche
Elevata qualità del prodotto attraverso
una migliore precisione nel dosaggio
ed elevata flessibilità
Funzioni aggiuntive (controllo del
contattore,
t tt
controllo
t ll PID,
PID gestione
ti
setpoint, logica...)
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I convertitori di frequenza
I convertitori di frequenza (o inverter) sono la chiave di svolta per
ll’Efficienza
Efficienza energetica nell’industria
nell industria
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A&D Standard Drives
Cos’è l’efficienza energetica
Efficienza Energetica
=
Produrre consumando di meno
- minor impatto sull’ambiente
- minori costi (per le aziende e per il sistema Italia)
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A&D Standard Drives
Efficienza energetica con inverter
L’i
L’inverter
t adatta
d tt in
i tempo
t
reale
l le
l performance
f
del
d l motore
t
alle
ll necessità
ità
dell’applicazione… erogando solo la reale potenza richiesta.
Il risparmio ottenibile dipende dal tipo di applicazione in esame e dalla tipologia di
regolazione con cui ci si confronta.
L’inverter,, nelle applicazioni
pp
con p
pompe
p centrifughe
g e ventilatori,
ventilatori, garantisce
g
la
migliore efficienza energetica nel realizzare sistemi a portata variabile.
In questi casi la potenza assorbita è proporzionale al cubo della velocità
€
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A&D Standard Drives
Cos’è l’inverter
Uline
UDC
Uout
L’inverter consente di variare la frequenza e la tensione di
alimentazione di un motore elettrico, adeguandone la velocità
alle effettive esigenze del carico
carico.
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A&D Standard Drives
Principio di funzionamento Inverter
Linea trifase p
principale
p
3 AC, 400V, 50 Hz
Capacità
Raddrizzatore
Motore
Asincrono
Invertitore
Alimentazione:
DC link :
3 AC, 400V
Capacità con tensione di
alimentazione raddrizzata
approx. 1.35 · 400V = 540V
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Tensione e frequenza
variabili
A&D Standard Drives
I principali vantaggi usando un inverter
Ulteriori vantaggi nell’utilizzo di un Inverter
9 Semplificazione impiantistica
9 Il motore assorbe solo l’energia richiesta.
9 Semplicità di regolazione
9 Riduzione della manutenzione
9 Riduzione del rumore
9 Elevate performance
9 Risparmio Energetico
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Vantaggi e benefici nell’impiego dei convertitori
• Partenze e fermate “soft” dei motori ( + possibile frenatura dinamica).
• Vengono totalmente evitati i problemi tipici dell’avviamento tradizionale.
- elevata corrente di spunto
- caduta di tensione in rete
- stress meccanici (come colpi d’ariete, sovrapressioni…)
• Ampio range di velocità, coppia e potenza.
• Facilità nell’eventuale controllo di più motori.
• Migliori risposte dinamiche del sistema.
Ulteriori risparmi energetici con
funzionalità specifiche
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
Aree di applicazione:
Per qualsiasi impiego dove un materiale fluido,
liquido o gassoso deve essere mosso, traportato,
pompato, compresso, estratto….
I principali vantaggi sono:
¾ Gestione ottimale del processo.
¾ Aumento della flessibilità del sistema.
sistema
¾ Aumento della disponibilità… (es. la
manutenzione) in confronto ai sistemi
meccanici.
¾ Aumento della produttività con la possibilità di
elevare comodamente la velocità dei motori.
¾ Risparmio Energetico.
(in p
particolar modo con carichi parziali).
parziali
p
)).
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A&D Standard Drives
Le scelte d’impiego migliori
Predestinati
P
d ti ti all risparmio:
i
i pompe, ventilatori
til t i e
compressori
Il potenziale di risparmio più grande proviene dalle pompe, dai
ventilatori e dai compressori che funzionano ancora con
valvole a farfalla e valvole meccaniche.
Il passaggio ad azionamenti a velocità variabile può portare
vantaggi
gg decisivi dal punto di vista economico.
P ~ n3
M
M ~ n2
VT
Coppia variabile
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A&D Standard Drives
Caratteristica del carico
Motore e convertitore saranno determinati in
base alla CARATTERISTICA del CARICO
(COPPIA E VELOCITA’)
M
Carico a coppia costante
Carico a coppia quadratica
(COPPIA VARIABILE)
P ~ n3
M
M ~ n2
CT
VT
Coppia costante
Coppia variabile
n
Necessità di accelerare e frenare o
lavorare con carichi variabili.
Senza fare un analisi in dettaglio del
carico, possiamo affermare che il drive
deve fornire una certa coppia ad ogni
velocità.
Esempi: compressori a pistoni, pompe
volumetriche,
l
t i h nastri
t i ttrasportatori…
t t i
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Giugno 2008
n
Controllando ad esempio un fluido,
all‘aumentare della velocità la coppia
incrementa al quadrato.
Per scegliere un drive, basta conoscere la
massima velocità di lavoro e la potenza
necessaria.
p p
pompe
p e compressori
p
Esempi:
(centrigughe), ventilatori.
A&D Standard Drives
Esempio: Inverter su un ventilatore
Ventilazione convenzionale
„
„
Risparmio
energetico in 5 anni
€ 40.000
per aver installato
i t ll t
un solo inverter !
„
Sistema di estrazione aria
Motore da 75 kW con
assorbimento medio di 56 kW
4.000 ore/anno di funzionamento
Soluzione con Inverter
„
„
„
„
Assorbimento medio di 36 kW
80.000 kWh all’anno risparmiate
Con un costo di energia
g di 0,1
, €/kWh,,
si risparmiano 8.000 €/anno
Costo per impianto: 6700 € (*)
Investimento Ammortizzato in circa 8 mesi
(* )
Spesa
p
massima ammissibile totale per
p singolo
g
variatore
di velocità - Finanziaria 2007
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A&D Standard Drives
Esempio: Inverter su pompa depuratore
Pompa convenzionale 37 kW
„
„
Risparmio
energetico in 5 anni
€ 37.600
per aver installato
un solo inverter !
„
„
750 m³/h max di acque da depurare
con 400 m³/h di media giornaliera
Potenza media giornaliera di 32,4 kW
(con un tipo di controllo ON/OFF)
8.000 ore/anno di funzionamento
Soluzione con inverter
„
„
„
Potenza media 23 kW
Con un costo di energia di 0,1 €/kWh,
si risparmiano 7.520 € all’anno
Costo impianto: 4200 € (*)
Investimento Ammortizzato in circa 6 mesi
(* )
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Spesa
p
massima ammissibile totale per
p singolo
g
variatore di velocità - Finanziaria 2007…2008
A&D Standard Drives
Pompe e Ventilatori (qualche numero)
Qualche esempio numerico:
Nel caso ideale
Riducendo del 50% la velocità l’energia consumata si riduce a un ottavo
Riducendo la velocità del 20% si risparmia il 50% dell’energia
Riducendo la velocità solo del 10% (da 100 a 90) si risparmia il 27% dell’energia
N l caso reale
Nel
Alcuni impianti funzionano a pieno regime (senza regolazione) anche quando sono
sovradimensionati
I sistemi di regolazione
g
più
p utilizzati sono
• On – Off
• Valvole di strozzamento / serrande
• By pass
L’inverter consente un risparmio effettivo
dal 20% a oltre il 50%,
mediamente
di
t del
d l 35% rispetto
i
tt aii sistemi
i t i tradizionali
t di i
li
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
Altre applicazioni …es.elevatori
Fino al 50% di efficienza in più:
gli azionamenti che lavorano con
energia di frenatura
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Giugno 2008
ƒ
Nei sistemi di azionamento tradizionali
l’energia di frenatura generata viene
dissipata.
ƒ
Le versioni della famiglia di convertitori
di frequenza SINAMICS con capacità di
recupero dell’energia reimmettono nella
rete l’energia di frenatura del motore
invece di dissiparla nella resistenza di
frenatura.
ƒ
Nelle applicazioni di sollevamento è
possibile risparmiare fino al 50 % di
energia
g grazie
g
all’impiego
p g della
tecnologia infeed intelligente.
A&D Standard Drives
Efficient Infeed Technology:
Technology Principio di Funzionamento
Operazioni
• Switching solo a fondamentale.
• Nessuna p
perdita di switching.
g
• Tensione main riportata su Dclink (semplice
comparazione).
Caratteristiche
•E
E’ possibile la rigenerazione dell
dell’energia
energia.
• Forma d’onda di corrente semplice (quadra).
• Ottimizzazione del Cos.
Maximum motor voltage
g reduced due to
mains ripple
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
Efficient infeed tecnology – brevettato Siemens
Soluzione
standard:
Efficient Infeed
Technology
AFE
Le Resistenze di frenatura NON sono necessarie
(minor ingombro e costi)
Recupero Energia
Energy saving
Minor raffred. quadro
Recupero continuo
“Line Friendly”
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Giugno 2008
Grazie alla capacità di recupero in rete del Power
Module PM250 l’energia è
ricondotta in rete e non è pertanto dissipata in
una resistenza di frenatura.
frenatura
Input choke NON necessario...“anzi VIETATO“!!!
Un’innovativa tecnica di collegamento assicura
quantità di armoniche
una ridotta q
di rete.
Non è pertanto necessario l’impiego di
una reattanza di rete all’ingresso.
all’ingresso.
A&D Standard Drives
Efficient infeed technology - Riassumendo:
Tecnologia standard
Efficient Infeed Technology
Bobina di rete
Necessaria
Non necessaria
Resistenza di frenatura
Necessaria
Non necessaria
Onere di progettazione
Standard
Basso
Armoniche generate
Generazione di calore durante la
frenatura
Adduzione di energia
Standard
Basse
Sì
No
Standard
Minore del 22% circa
Corrente assorbita
Standard
Minore del 22% circa
Efficienza energetica
Compensazione
p
della potenza
p
reattiva
Onere di montaggio
Standard
Buona
No
Sì
Standard
Basso
ƒ Frenatura continua con il 100 % della potenza nominale
ƒ Risparmio energetico con il recupero in rete nel funzionamento generatorico del motore
ƒ Resistenza di frenatura, bobina di rete e chopper di frenatura non servono più
ƒ Nessuna complessa progettazione delle resistenze di frenatura e nessun cablaggio oneroso
ƒ Spazio di montaggio sensibilmente ridotto rispetto ai tradizionali convertitori compatti
ƒ Cavi di alimentazione di sezione inferiore (fino al 22 %)
ƒ Nessuna generazione supplementare di calore in caso di frenatura
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
Qualcosa di analogo….
KERS (Kinetic Energt Recovery)
Il Sistema Cinetico di Recupero dell’Energia permette
di recuperare l’energia termica che altrimenti verrebbe
dissipata durante la fase di decelerazione e frenata
trasformandola in energia meccanica e garantendo
così prestazioni del motore più elevate ed un minor
consumo di carburante.
KERS System Controller
Energy
gy Transmission
375V DC ; 200A
Energy
Storage
12V Supply
Torque Sensor
KERS Controller
Communication with FIA
Standard ECU
System status
DYNASTORE®
Control (e.g. Shutdown)
CAN
Calibration
Programming
I progettisti lavorano sul nuovo
sistema di recupero dell'energia
cinetica che equipaggerà le
monoposto Ferrari di F1 nel 2009
Viene impiegato
un INVERTER
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Giugno 2008
Power Electronics
Motor Control
Inverter
M/G
Rotor angle (<5° mechanical)
Liquid Cooling
(Power Electronics)
A&D Standard Drives
I drives di Siemens equipaggiati con “Efficient Infeed technology”
I seguenti
g
convertitori sono equipaggiati
q p gg
con Efficient Infeed Technology
gy
Come opzione:
ƒ SINAMICS G120 integrato nella parte di potenza PM250
Sempre con:
ƒ SINAMICS G120D
ƒ SIMATIC ET 200S FC
ƒ SIMATIC ET 200pro FC
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
SOFTWARE di simulazione e calcolo: SINASAVE
Con l’impiego del Software SINASAVETM è possibile:
ƒ Calcolare, stimare e valutare il risparmio economico possibile di impianti e macchine,
applicazioni
pp
esistenti, nuovi progetti
p g
ecc...
ƒ Confrontare il risparmio possibile tra le varie tipologie di motori. (eff.1 – eff.2)
ƒ Confrontare (ad esempio) il funzionamento di un motore comandato da inverter e la
regolazione tradizionale con valvola di strozzamento su di una pompa idraulica.
ƒ Analizzare
A li
e verificare
ifi
i risultati
i lt ti ottenuti
tt
ti con conseguente
t valutazione
l t i
delle
d ll scelte
lt
piu’ idonee per il possibile risparmio energetico ed economico.
Liberamente scaricabile dal link:
www.siemens.com/energysaving
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
© Siemens AG 2007 - Subject to changes without notice
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
La situazione in Italia
Quantificando il potenziale risparmio (**)
Le pompe e i ventilatori sotto i 90 kW sono oltre 2 milioni
e consumano circa 45 TWh/anno di energia elettrica
Ad oggi solo l’8% sono regolati da inverter
Gli inverter sono tecnicamente ed economicamente
applicabili ad almeno un ulteriore 52%...
… e si otterrebbe un risparmio complessivo di oltre
8 TWh/anno di energia elettrica
(**)
page 36
Studi Save “ VSDs for Electric Motor system”
y
e “ Improving
p
g the penetration
p
of EEM and Drives”
Giugno 2008
A&D Standard Drives
Scenario industriale
Potenziali massimi di risparmio
S
Scenari
i realistici
li ti i 2005
2005--2014
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
Cunsumi Cunsumi del settore industriale 2014 BAU
Se non fossero prese iniziative per incentivare il risparmio energetico
tramite l’utilizzo di motori ad alta efficienza ed inverter, i consumi
energetici
g
al 2014 crescerebbero notevolmente.
ƒ
ƒ
ƒ
page 38
Dato 2005 : 99,5 TWh
Dato 2014 BAU: 114,9 TWh*
Incremento: +15
+15,5%
5%
* Stima Cesi RicercaRicerca-Anie
Giugno 2008
A&D Standard Drives
Risparmi Massimi conseguibili al 2014 Max
Il massimo risparmio potenziale nell’industria
nell industria si può stimare
considerando la sostituzione dell’intero parco motori attuale
(ritenuto in EFF.3) con motori EFF.1 e con l’installazione di tutti
gli inverter tecnicamente ed economicamente giustificati.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
page 39
Dato 2005 : 99,5 TWh
Dato 2014 BAU: 114,9 TWh*
Dato 2014 Max: 98,1 TWh*
Risparmio Max: 16.8 TWh
Risparmio Max: 14,6%
* Stima Cesi RicercaRicerca-Anie
Giugno 2008
A&D Standard Drives
Risparmi Realistici al 2014 Risparmi Realistici al 2014 - Inverter
- Considerando una politica di incentivazione
adeguata che sostenga l’utilizzo di inverter
sul parco motori esistente.
- Considerando che si potrà avere
una adesione che porti all’installazione
degli
g inverter tecnicamente ed
economicamente giustificati da 1% al 10%
annuo del parco potenziale
E’ stimabile un risparmio realistico al 2014 di *::
E
ƒ
Caso A adesione 1% annuo -> 1,1TWh
ƒ
Caso B adesione 2% annuo -> 2,3TWh
ƒ
Caso C adesione 5% annuo -> 5,8TWh
ƒ
Caso D adesione 10% annuo -> 11,5TWh
* Stima Cesi RicercaRicerca-Anie
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
Un paio di referenze
Pompe più efficienti alla Shell
La Shell Deutschland Oil GmbH gestisce a Kaiserwörthhafen un grande
deposito per il trasbordo e lo stoccaggio di carburante diesel, benzina e nafta
leggera.
Le pompe principali per il trasporto del carburante diesel devono essere
attivate nel punto ottimale della catena di produzione.
L’obiettivo è quello di risparmiare in futuro l’energia in eccesso dissipata
mediante distributori meccanici e valvole.
Sono stati installati diversi convertitori MICROMASTER 440 con 132 kW di
potenza nonché motori 1LG4 per il sistema di pompe ridondante.
Il tempo di ammortamento stimato è di 14 mesi.
Il risparmio mensile di costi energetici ammonta a pi
piu’’ di 3
3.000
000 €.
€
Ventilazione a risparmio energetico nella fabbrica di motori Siemens di
Bad Neustadt
Per il filtraggio dei gas di combustione dei forni di fusione dell’alluminio veniva
utilizzato un sistema di ventilazione con comando a valvole equipaggiato con un
motore vecchio di 20 anni.
Innanzi tutto il motore elettrico in uso, dotato di una potenza nominale di 45 kW, è
stato sostituito con un motore a risparmio
p
energetico.
g
Questo intervento da solo haconsentito un risparmio energetico di oltre il 2 %,
vale a dire 535 € l’anno.
Inoltre, il motore è stato equipaggiato con un convertitore MICROMASTER 430 in grado di
regolare non solo il numero di giri del motore ma anche la portata dell’aria.
La soluzione adottata per la sostituzione dell’intero sistema di azionamento, in
funzione 24 ore su 24,
24 ha ridotto i costi energetici dai 24.000
24 000 € precedenti
a circa 7.000 € all’anno.
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Giugno 2008
A&D Standard Drives
Fine
Grazie per
l’attenzione !!
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A&D Standard Drives