L'obiettivo della riduzione del 20% dei consumi energetici, che l'Unione Europea vuole raggiungere entro il 2020, potrà essere conseguito anche migliorando l'efficienza dei motori. Ridurre del 20% i consumi energetici è tra gli obiettivi che l'Unione Europea vuole raggiungere entro il 2020. Per toccare questo traguardo è indispensabile migliorare l'efficienza negli utilizzi finali di energia.
Nel settore industriale il 74% (112 mila GWh) dei consumi di energia elettrica è dovuto all'uso dei sistemi motore. I motori elettrici sono, infatti, la prima fonte di consumo in quest'area. Sono elettrici i motori di pompaggi, ventilazioni, attuazione di macchine automatiche, movimentazioni di materiali, pressurizzazione di fluidi eccetera. Questi motori hanno taglie di potenza che variano da pochi Watt a centinaia di chilowatt e, anche se spesso sono poco considerati dal punto di vista dell’efficienza energetica, possono contribuire a ridurre i consumi e risparmiare. Un approccio del tipo "Life Cycle Costing" è un primo passo per capire quanto un miglioramento di efficienza possa incidere sul costo complessivo della vita di un motore elettrico. Per ridurre i costi è necessario scegliere motori elettrici ad alta efficienza, che permettono di limitare le perdite di energia aumentando il rendimento, grazie a una progettazione ottimizzata e all'impiego di materiali di alta qualità. Questo motori determinano ricadute ambientali positive in termini di contenimento delle emissioni di gas serra e di riduzione del consumo di fonti non rinnovabili.
Un risparmio energetico annuo di 135 miliardi di chilowattora
Se i vecchi sistemi usati nell'industria europea, nel commercio e nei servizi pubblici, attivi da decenni, fossero sostituiti da moderni sistemi di azionamento, questo si tradurrebbe in un risparmio energetico annuo di 135 miliardi di chilowattora. Usando il controllo elettronico della velocità e motori ad alta efficienza energetica, in Europa le emissioni di CO2 potrebbero essere ridotte di 69 milioni di tonnellate. La norma internazionale IEC 60034-30:2008 definisce le classi di rendimento per motori trifase secondo quattro classi:
- IE 1 = Efficienza Standard
- IE 2 = Efficienza elevata
- IE 3 = Efficienza Premium
- IE 4 = Efficienza Super Premium
Con l'obiettivo di ridurre i consumi energetici, la direttiva 2009/125/CE ha definito un quadro per l’elaborazione di specifiche per la progettazione ecocompatibile dei prodotti connessi all’energia.
Con il regolamento CE 640/2009 sono individuati i requisiti minimi di efficienza energetica per i motori elettrici, in base al codice IE.
Per motore elettrico si intende un motore a induzione a gabbia, monovelocità e trifase con una frequenza di 50 o 60 Hz che abbia 2 o 6 poli, tensione nominale massima di 1.000 V, potenza nominale compresa tra 0,75 kW e 375 kW e funzionamento continuo.
In base al regolamento CE 640/2009, dal 16/06/2011 tutti i motori elettrici devono avere almeno un livello di efficienza IE2; a decorrere dal 01/01/2015 i motori elettrici con potenza nominale compresa fra 7,5 kW e 375 kW devono avere un livello di efficienza IE3 o IE2 se muniti di velocità variabile. Infine, dal 01/01/2017 tutti i motori con potenza nominale compresa fra 0,75 kW e 375 kW dovranno avere un livello di efficienza IE3 o IE2 se muniti di velocità variabile.
I motori dovranno riportare sulla targa il rendimento nominale a pieno carico, al 75% e al 50%, livello IE2 o IE3 e l’anno di fabbricazione. La normativa prevede, però, alcune applicazioni per le quali è ancora possibile utilizzare motori IE1 o IE2, come motori completamente integrati in una macchina o progettati per funzionare immersi in un liquido, motori per atmosfere potenzialmente esplosive, motori a magneti permanenti, motori usati con inverter.
Rendimenti superiori e più costanti
I motori elettrici ad alta efficienza sono motori elettrici che, grazie a specifici accorgimenti costruttivi, a parità di potenza offrono rendimenti superiori e più costanti, al variare del carico, rispetto ai motori elettrici standard. Parte dei consumi attributi al funzionamento dei motori elettrici sono dovuti alla presenza di perdite di vario tipo (perdite meccaniche, per correnti parassite. dispersioni di energia,..). Nei dispositivi ad alta efficienza queste perdite sono state ridotte intervenendo sui materiali con cui i motori sono fabbricati o modificando elementi costruttivi come il nucleo, realizzato con lamierini a basse perdite che diminuiscono le perdite a vuoto; i conduttori dello statore e del rotore, realizzati con sezione maggiorata in modo da ridurre le perdite per effetto Joule; cave selezionate sia come numero sia come geometria. Questi accorgimenti implicano un minore sviluppo di calore nel motore e rendono possibile l’impiego di ventole di raffreddamento più piccole (con minori perdite meccaniche e consumi elettrici inferiori). Gli azionamenti a velocità variabile, consistenti in inverter che modulano la frequenza di alimentazione del motore e la sua velocità in funzione del carico, servono a modificare la velocità di un motore elettrico che di regola è fissa e dipende dal numero di poli del motore.
Questi dispositivi possono essere usati vantaggiosamente per variare la portata di una pompa o di un ventilatore. I regolatori di frequenza agiscono andando a variare, in funzione del bisogno, la velocità del motore e la potenza elettrica da esso assorbita.
Ridurre i consumi derivati dai motori elettrici
Alcuni interventi per realizzare una riduzione dei consumi di elettricità legati al funzionamento dei motori elettrici riguardano i dispositivi di trasmissione. I sistemi di trasmissione non sono in grado di trasmettere alla macchina operatrice tutta la potenza fornita dal motore e la scelta dei sistemi a maggior rendimento si traduce in un contenimento delle perdite e dei consumi di energia. Le cinghie trapezoidali sono tra i sistemi di trasmissione più usati per la loro praticità e basso costo. Il loro rendimento di trasmissione, inizialmente elevato, decade abbastanza rapidamente con il funzionamento per l’usura e la perdita di aderenza delle cinghie, rendendo necessari interventi di manutenzione per evitare dispersioni di energia. L’uso di sistemi di distribuzione con rendimenti elevati e costanti nel tempo, quali le cinghie dentate, consente di ovviare a questi problemi e di ridurre i consumi di energia. Nelle applicazioni, nei processi industriali, nei sistemi di condizionamento e ventilazione e nei circuiti idraulici connessi a ventilatori e pompe, sono presenti motori elettrici sostituibili da motori elettrici ad alta efficienza, dopo averne valutato la convenienza. Questa analisi deve considerare aspetti quali: la situazione dei motori elettrici esistenti (in caso di rottura di un motore elettrico è possibile intervenire con riparazioni e riavvolgimenti che comportano una perdita di rendimento che può andare dallo 0,5% al 4%); la durata di funzionamento; il coefficiente di carico (la percentuale rispetto al pieno carico alla quale lavora il motore); il costo di un motore elettrico ad alta efficienza, il costo di un motore elettrico tradizionale e i costi di riparazione. L’adozione dei sistemi di controllo della frequenza (inverter) consente di ridurre il consumo energetico, soprattutto nel campo delle frequenze elevate. Le applicazioni più convenienti interessano ventilatori e pompe, dove è possibile realizzare risparmi energetici dell’ordine del 35%.
Per motori di piccola taglia (sotto i 10 kW) sono sufficienti poche migliaia di ore di funzionamento per rendere conveniente la sostituzione di un motore standard fuori uso con un nuovo motore elettrico ad alta efficienza rispetto alla riparazione del motore standard. Il numero di ore di funzionamento oltre il quale si realizzano condizioni di convenienza aumenta al crescere della potenza del motore.
