Salvare il pianeta un motore alla volta
I motori elettrici sono stati ampiamente utilizzati nelle applicazioni manifatturiere almeno dalla fine del 1800. Rispetto ai metodi precedenti, offrivano numerosi vantaggi, tra cui coppia istantanea, maggiore controllabilità e minore manutenzione. Sebbene la tecnologia dei motori sia certamente migliorata nel corso degli anni, ci sono ancora grandi passi avanti da compiere. Questo articolo di Analog Devices esplora come il processo di rendere i motori elettrici più efficienti possa contribuire a ridurre le emissioni che alimentano il cambiamento climatico.
L'Accordo di Parigi del 2015 ha stabilito un piano per limitare il riscaldamento globale a 1,5°C entro il 2050. Raggiungere l'obiettivo di 1,5°C nel 2050 richiede una riduzione di circa il 70% delle emissioni di CO2 rispetto ai livelli del 2018. L'attuale traiettoria del riscaldamento globale ha il potenziale di causare importanti sconvolgimenti economici, sociali e ambientali. Il mondo si è già riscaldato di 1,1°C e gli esperti affermano che è probabile che superi 1,5°C negli anni 2030.
La Figura 1 delinea un percorso verso l'obiettivo di 1,5°C riducendo le emissioni di CO2 a meno di 10 Gt di CO2, come riportato nel World Energy Outlook 2019. In quel rapporto, l'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA) analizza due scenari per il percorso delle emissioni globali. Il primo è lo Scenario delle Politiche Dichiarate, che stima le emissioni basandosi sulle politiche governative annunciate pubblicamente. Il secondo è lo Scenario dello Sviluppo Sostenibile, che considera percorsi aggiuntivi per mitigare le emissioni. La maggiore opportunità per ridurre le emissioni di CO2 all'interno dello Scenario dello Sviluppo Sostenibile della IEA consiste negli incrementi di efficienza energetica, che rappresentano il 37% delle riduzioni dello Scenario dello Sviluppo Sostenibile rispetto allo Scenario delle Politiche Dichiarate. Con il 25% delle emissioni di CO2 proveniente dall'industria nel 2022 [2], accelerare gli investimenti in efficienza energetica industriale sarà una parte fondamentale del percorso verso emissioni nette zero entro il 2050.
Figura 1: Percorso per la riduzione delle emissioni di CO2
Perché i motori industriali sono importanti
La fornitura globale di elettricità nel 2022 è stata pari a 28.642 terawatt-ora, contribuendo con 13,2 Gt di emissioni di carbonio. L'industria consuma circa il 30% dell'elettricità globale e, all'interno del settore industriale, i motori elettrici rappresentano approssimativamente il 70% del consumo di elettricità. È evidente che l'efficienza di questi componenti può contribuire in modo potenzialmente cruciale ai risparmi di efficienza identificati nella Figura 1. Le soluzioni di movimento più basilari e a efficienza più bassa sono basate su motori trifase a corrente alternata collegati direttamente alla rete elettrica, che utilizzano apparecchi di comando per fornire il controllo on/off e la protezione di base. Queste soluzioni di movimento funzionano ad una velocità relativamente fissa, indipendentemente da eventuali variazioni del carico. Le regolazioni delle variabili di uscita (come il flusso di fluidi nelle pompe e nei ventilatori) vengono effettuate mediante controlli meccanici come acceleratori, smorzatori e valvole, mentre variazioni significative di velocità vengono implementate tramite ingranaggi.
Figura 2: Il ruolo dei motori industriali nel consumo energetico globale
L'aggiunta di un raddrizzatore, un bus DC e uno stadio inverter trifase, come illustrato in Figura 3(b), crea un inverter con frequenza variabile e un'uscita di tensione variabile che viene applicata al motore per consentire il controllo della velocità variabile. Questo motore alimentato da inverter riduce significativamente il consumo energetico del sistema facendo funzionare il motore alla velocità ottimale per il carico e l'applicazione. Esempi includono pompe e ventole ad alta efficienza. Quando aggiunto al motore esistente di una pompa, ventola o compressore, un inverter può potenzialmente ridurre il consumo energetico tra il 25% e il 60%, a seconda del motore e dell'applicazione. Per applicazioni di controllo del movimento ad alte prestazioni, un VSD (Figura 3(c)) consente un controllo preciso di coppia, velocità e posizione.
Figura 3: (a) Motore AC collegato alla rete (b) Motore alimentato da inverter (c) Azionamento motore a velocità variabile
Si stima che solo circa 1 su 6 di tutti i motori installati nell'industria siano azionati da inverter o collegati a un VSD. Passando un numero maggiore di sistemi di movimento installati da motori collegati alla rete a motori azionati da inverter o VSD, è possibile ridurre significativamente il consumo di energia e le emissioni di CO. Queste riduzioni nel consumo energetico consentirebbero una produzione più sostenibile con minori emissioni di CO2. È stato stimato che se tutti i sistemi motorizzati installati fossero operati alla massima efficienza, si ridurrebbe del 10% la domanda di elettricità globale e si eliminerebbero 2490 Mt di emissioni di CO2 entro il 2030.
Standard di efficienza dei motori
Per accelerare l'implementazione di sistemi motorizzati ad alta efficienza, la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) ha contribuito alla definizione degli standard per motori elettrici ad alta efficienza energetica. Questo include lo standard di prova IEC 60034-2-1 per motori elettrici e il sistema di classificazione IEC 60034-30-1, composto da quattro livelli di efficienza dei motori (IE1 fino a IE4), con il livello IE5 che sarà introdotto in futuro. Gli standard di livello superiore possono essere raggiunti sia attraverso un design del motore più efficiente sia tramite l'aggiunta di un inverter o un VSD (azionamento a velocità variabile) a un design standard del motore. Man mano che le classi di efficienza diventano più rigorose, soddisfarle solamente attraverso il miglioramento del design del motore sta diventando sempre più difficile e costoso. In aggiunta ai benefici extra forniti dal controllo della velocità variabile nell'applicazione, l'adozione di un VSD per la maggior parte dei motori industriali sta diventando sempre più convincente.
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