EE Elettrica - ENEA (Bologna)

Corso di formazione ed aggiornamento professionale
per Energy Managers-Trenitalia
BOLOGNA
15-16 Giugno 2011
O
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M
R
A
P
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E
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U
ENEA
INTERVENTI SULL’IMPIANTO ELETTRICO
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
DIFFERIMENTO CARICHI
DISTRIBUZIONE
POMPAGGI
GESTIONE FREDDO
RIFASAMENTO
USI IMPROPRI ELETTRICI
GESTIONE DEI TRASFORMATORI
ILLUMINAZIONE
SBILANCIAMENTO DI TENSIONE
1) DIFFERIMENTO DEL CARICO ELETTRICO
LA STRUTTURA DELLA TARIFFAZIONE
MULTIORARIA PREVEDE ALTI PREZZI DI
POTENZA ED ENERGIA NELLE FASCE "PREGIATE"
(PEAK), PREZZI INFERIORI NELLE ALTRE FASCE
(OFF PEAK)
SE SI POTESSE TRASFERIRE POTENZA ED
ENERGIA DA UNA FASCIA PREGIATA AD UNA
MENO, SI OTTERREBBERO APPREZZABILI
VANTAGGI ECONOMICI
LA RICERCA DELLE POSSIBILITA’ PARTE
NECESSARIAMENTE DALL'ANALISI DEL
MODELLO ELETTRICO DI STABILIMENTO
STRUTTURA DELLE TARIFFE MULTIORARIE – 1
B1
hrs
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
19-20
20-21
21-22
22-23
23-24
1-8jan
B2
B3
9jan-10mar 13mar-28apr 2may-1jun
B4
5jun-28jul
31jul-4aug
STRUTTURA DELLE TARIFFE MULTIORARIE – 2
B1
hrs
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
19-20
20-21
21-22
22-23
23-24
5-20aug
B2
21-25aug
B3
B4
28aug-15sep 18sep-17nov 20nov-7dec
11-22dec
STRUTTURA DELLE TARIFFE MULTIORARIE (Italy) – 3
B1
B2
B3
B4
B1 Tariff
17.5 c!
B2 Tariff
10 c!
B3 Tariff
7.5 c!
B4 Tariff
4.5 c!
SE SI POTESSERO DIFFERIRE POTENZA ED ENERGIA DALLE
FASCE PREGIATE A FASCE MENO PREGIATE...
5-20aug
21-25aug
28aug-15sep 18sep-17nov 20nov-7dec
11-22dec
23-31dec
...SI OTTERREBBERO APPREZZABILI VANTAGGI ECONOMICI:
n
RISPARMIO ( !) = $ kWh j " (Tariffa prima # Tariffadopo ) j
j=1
TIPICHE OPERAZIONI DIFFERIBILI HANNO LE
SEGUENTI CARATTERISTICHE:
 mancanza di presidio per le macchine operatrici
 alte potenze installate (mulini di frantumazione,
officine di ricarica batterie, confezionamenti,
ecc...)
SE E' PRESENTE UN IMPIANTO DI RAFFRESCAMENTO
O DI PRODUZIONE DI FREDDO TECNOLOGICO, E'
VERIFICABILE L'IPOTESI DI ACCUMULO DEL
FREDDO
ESEMPIO DI ACCUMULO DEL FREDDO (GHIACCIO)
Pompa acqua
gelida
Carico
termico
Chiller acqua
glicolata
Scambiatore
Pompa
di calore acqua gelida
Pompa acqua
gelida
Pompa
aria
Unità di accumulo del
ghiaccio
Scambiatore
di calore
Pompa acqua
gelida
2) DISTRIBUZIONE
DIMENSIONAMENTO DEI CAVI ELETTRICI
Il vincolo da rispettare e' di tipo:
 TECNICO:
 ECONOMICO
1) CADUTA DI TENSIONE
2) RISCALDAMENTO
VERIFICA TECNICA:
Va condotta su cavi caricati per brevi ∆t
1) Se i cavi sono lunghi la verifica va condotta sulla
caduta di tensione
2) Se i cavi sono brevi la verifica va condotta sul
sovrariscaldamento da effetto Joule
VERIFICA ECONOMICA:
Va condotta sui cavi caricati per lunghi ∆t
Ploss
ρ
!l 2
= RI = I
S
l
2
Closs = R !I ! H !ckWh
2
"l 2
= ! I ! H !ckWh
S
I
S
ΔS
"l 2
VAN = # I # H # c kWh # FA $ S # l # cCu
S
La condizione di ottimalità si ha per:
!
! " H " ckWh " FA
S=I
cC u
!(VAN)
=0
!S
TERMOGRAFIA ALL’INFRAROSSO
LA TERMOGRAFIA ALL’INFRAROSSO E’ UNA TECNICA
RAPIDA ED AFFIDABILE PER IDENTIFICARE E MISURARE
LE TEMPERATURE DEI COMPONENTI ELETTRICI (MA
ANCHE TERMICI) CHE OPERANO A TEMPERATURE
TROPPO ELEVATE
UN’ALTA TEMPERATURA E’ UN SEGNALE CRITICO CHE
PUO’ INDICARE SIA UNO SPRECO ENERGETICO CHE UN
GUASTO IMMINENTE
TERMOGRAFIA ALL’INFRAROSSO
3) POMPAGGI
Spesso la potenza installata di pompaggio e' esuberante
rispetto a quella strettamente necessaria, data da:
Q! H
P=
"
L'energia non necessaria ai fini del pompaggio viene
dissipata in valvole, ricircoli e/o nell’alta velocità di
efflusso
POSSIBILI INTERVENTI:
• Verificare, per le pompe piu’ grandi e funzionanti piu’ a
lungo, le effettive necessita’ di pompaggio
• Evitare di controllare la portata tramite metodi dissipativi
Regolazione della portata con metodi dissipativi
H
∆H
Hd
pom
pa
∆H
Hs
Hs
Hd
carico
Hs
Q
Q2
Q1
Q2
Q1
• I ∆H danno conto delle perdite dissipative.
• Più è basso il carico Hs rispetto ad Hd più aumentano le perdite
∆H, inaccettabili se la pompa lavora per lunghi periodi.
Regolazione della portata con metodi NON dissipativi
H
n1 , η 1
H’2
∆H
n2< n1, η2 > η1
H”2
Q
Q2
Q1
Il nuovo punto di lavoro comporta un risparmio di potenza pari a (H in m;
Q in l/sec):
Q2 $& H' 2 H' ' 2 ')
!P(kW) =
#
&
102 % "1
"2 )(
GLI INVERTER POSSONO ESSERE UTILIZZATI CON
TUTTI I TIPI DI MOTORI CHE TRASCINANO CARICHI
VARIABILI
APPLICABILITA’
APPLICAZIONE
POMPE
VENTILATORI
COMPRESSORI ARIA
COMPRESSORI REFR.
CINGHIE TRASMISS.
ALTRO
%
60
60
30
40
60
60
RISPARMIO
ENERGIA
%
35
35
15
15
15
15
4) GESTIONE PRODUZIONE FREDDO
REGIONE “CALDA”
Qin
!=
Pc
Qout
CONDENSATORE
COMPRESSORE
VALVOLA DI
LAMINAZIONE
EVAPORATORE
Qin
REGIONE “FREDDA”
Pc
Qout
COP =
Pc
INTERVENTI POSSIBILI
•Recupero del calore al condensatore e dal sistema
di raffreddamento olio (per ottenere acqua a 4050 °C )
•Installazione di sistemi di supervisione automatica
•Accumulo del freddo (da progettare ex novo o da
implementare se presenti compressori alternativi
o rotativi a vite)
5) RIFASAMENTO DEL CARICO ELETTRICO
VANTAGGI DEL RIFASAMENTO:
A) DI ORDINE TECNICO
• Riduzione perdite Joule
• Aumento potenzialita' dell'impianto
• Riduzione c.d.t. nei cavi e nei trasformatori
B) DI ORDINE TARIFFARIO
Un conduttore, sottoposto ad una tensione: v = VMsenωt,
viene percorso da una corrente: i = IMsen(ωt-ϕ)
e trasmette all’utilizzatore una potenza: p = v.i
v, i, p
t
ϕ
La potenza così espressa può essere composta nella
somma di due componenti:
• Componente ATTIVA
• Componente REATTIVA
pa
P=VIcosϕ
t
pr
Q=VIsenϕ
t
SCHEMA SENZA RIFASAMENTO
componente ‘attiva’
componente ‘reattiva’
SCHEMA CON RIFASAMENTO CENTRALIZZATO
SCHEMA CON RIFASAMENTO DISTRIBUITO
Determinazione della potenza rifasante
QR= Q1− Q2
I
V
=
P
Q1
p
Αp
ϕ1
Q2
ϕ2
PAtt= VIcosϕ
Q1= PAtt tgϕ1
Q2= PAtt tgϕ2
QR= PAtt (tgϕ1− tgϕ2)
Determinazione della potenza rifasante
I
V
=
P
p
Αp
ϕ1
QR= Q1− Q2
Q1
Q2
ϕ2
PAtt= VIcosϕ
cosϕ2= 0,9 ϕ2=26°
= tgϕ1-tgϕ2
RIFASAMENTO A GRADINI
RIFASAMENTO A GRADINI
Se i gradini sono molto ridotti aumenta anche di
molto il numero di inserzioni-disinserzioni, e con ciò
l’accelerazione dell’usura della batteria.
La regola aurea dell’energy manager in questi casi è
la seguente:
1) adottare preferibilmente gradini tutti della stessa
potenza reattiva
2) ogni gradino dovrebbe avere una potenza
variabile tra il 10 ed il 20% della totale potenza
rifasante richiesta.
6) USI IMPROPRI DELL’ELETTRICITA’
 Evitare la conversione dell'energia elettrica in
calore
 Se fosse indispensabile, e se la tariffazione
applicata lo consente, sfruttare le fasce orarie
vuote, in cui costano poco il kWh ed il kW
Se e' necessaria una regolazione fine della
temperatura (possibile solo con resistori elettrici),
fornire la base con combustibili tradizionali, ed il
calore in regolazione con l'elettricita’.
in ‘modulazione’ (con l’elettricita’)
P (kWt)
t (h)
a ‘tavoletta’ (con combustibili tradizionali)
7) GESTIONE DEI TRASFORMATORI
RENDIMENTO DI TRASFORMAZIONE:
P1
V1
V2
P1 = P2 + Pp
P2 P1 " Pp
!=
=
P1
P1
P2
Pp
PERDITE NEI TRASFORMATORI
Pp = PFe ( ferro) + PCu(rame)
PFe: sono dovute ad isteresi e correnti parassite
all’interno dei lamierini ferromagnetici, sono
proporzionali a V2 e vanno dal 2 al 5 ‰
della potenza nominale Pn (=P2).
PCu: sono causate dall’effetto Joule nei
conduttori, sono proporzionali a I2, e vanno
dall’ 1 al 3% della potenza nominale Pn (al
100 % del carico).
PERDITE NEI TRASFORMATORI
Pn
In condizioni nominali è: "n =
Pn + P0 + Pcc
Se il trasformatore eroga una frazione x della potenza
nominale, si avrà!che:
• la potenza erogata è Px = x Pn
• le perdite nel ferro sono in pratica sempre costanti e
pari a P0 (le perdite a vuoto)
• le perdite nel rame nominali sono PCu,n= Pcc
• Se la corrente al carico x è x2I2, anche per le perdite
nel rame, proporzionali al quadrato della corrente, vale:
Pcu,x= x2 Pcc
PERDITE NEI TRASFORMATORI
x Pn
Il rendimento al carico x diventa: "x =
x Pn + P0 + x 2 Pcc
La condizione di massimo rendimento per il
trasformatore si ottiene quando le perdite nel rame
sono uguali alle perdite nel!ferro: x 2 Pcc = P0
da cui: x =
P0
Pcc
Per ragioni di ottimizzazione
! progettuale, il rapporto
relativo tra le perdite nel ferro e nel rame è 20÷25%
! x = 45÷50% della potenza nominale Pn
η
!=
ηmax
Perdite
x " Pn
x " Pn + PFe + x 2 " PC u
Pp
PCu
PFe
50
100
% carico (x)
POSSIBILI INTERVENTI
• Per carichi inferiori al 50%: disinserire qualche trafo
• Per carichi superiori al 75%: nothing to do
• Verificare la convenienza all’acquisto di un trasformatore a
basse perdite (dal 20 al 60 % di riduzione delle perdite)
8) ILLUMINAZIONE
Nei reparti illuminati da parchi lampade fluorescenti,
prevedere l'uso di Reattori Elettronici
VANTAGGI DEI REATTORI ELETTRONICI
1) Aumento della vita delle lampade (mediamente del 25%)
percentuale di vita
Vita utile prevista
lampade 50 Hz
lampade HF
ore di lavoro
% del flusso nominale (lumen)
2) Più lento decadimento del flusso luminoso emesso:
dopo 8.000 ore il flusso si riduce solo del 10%
Lampade con
reattore
elettronico
Lampade con
reattore ferrorame
ore di lavoro
L’uso del reattore elettronico consente il completo rifasamento
dell’impianto, e la gestione di sistemi di illuminazione
completamente automatici, con possibilità di telecontrollo e
telegestione.
Grazie alla possibilità di regolazione in continuo del flusso
luminoso (dimming), rende possibile l’illuminazione dei reparti
sfruttando il contributo dell’illuminazione naturale.
Altre possibilita’:
Nei reparti o nelle aree poco frequentate prevedere
l’installazione di sistemi di rilevamento di presenza persone.
Prevedere l’installazione di temporizzatori che azzerano o
riducono automaticamente il flusso luminoso emesso durante
particolari intervalli di tempo.
CARATTERISTICHE DELLE SORGENTI LUMINOSE
9) SBILANCIAMENTO DI TENSIONE
Fase B
Fase C
VAC VAB
VBC
Motor starter
Fase A
Service entrance
UNO SBILANCIAMENTO E’ PRESENTE ALLORCHE’ SIANO
PRESENTI TENSIONI DISEGUALI SULLE FASI DI UN MOTORE
TRIFASE A INDUZIONE
LO SBILANCIAMENTO SULLE FASI CAUSA UNO SBILANCIAMENTO
DI CORRENTI. QUESTE CAUSANO PULSAZIONI DI COPPIA,
VIBRAZIONI, STRESS PER IL MOTORE E SURRISCALDAMENTI DI
UNO O DUE AVVOLGIMENTI
SBILANCIAMENTO DI TENSIONE
L’EFFICIENZA DEL MOTORE DIMINUISCE,
ALLORCHE’ SIANO PRESENTI SBILANCIAMENTI
DI TENSIONE
QUANDO L’EFFICIENZA DIMINUISCE, L’ENERGIA
VEICOLATA DAI CAVI VERSO IL MOTORE VIENE
DISSIPATA COME CALORE NEI NUCLEI E NEGLI
AVVOLGIMENTI
LA COPPIA UTILE ALL’ALBERO DI RIDUCE
SBILANCIAMENTO DI TENSIONE
EFFETTI DELLO SBILANCIAMENTO SULLE PERDITE
SBILANCIAMENTO DI TENSIONE
POSSIBILI CAUSE DELLO SBILANCIAMENTO, DA
INDIVIDUARE E RIMUOVERE
• PRESENZA DI UN GRANDE TRASFORMATORE DI DISTRIBUZIONE
MONOFASE IN UN SISTEMA TRIFASE
• CARICHI MONOFASE MAL DISTRIBUITI IN UN SISTEMA TRIFASE,
OPPURE UN SINGOLO GRANDE CARICO CONNESSO A DUE FASI DI
UN SISTEMA TRIFASE
• INTERVENTI BEN ORIENTATI, PER ES. MIGLIORAMENTO
DELL’EFFICIENZA ENERGETICA NELL’IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE
(MONOFASE), I QUALI INAVVERTITAMENTE INDUCONO
SBILANCIAMENTI IN UN IMPIANTO IN PRECEDENZA BILANCIATO
(EVENTUALMENTE CON PERDITE ENERGETICHE SUPERIORI A
QUELLE RISPARMIATE)
Energy Management
Risparmio di energia elettrica
Nino Di Franco
ENEA UTEE-IND
Corso di formazione ed aggiornamento
professionale per Energy Managers-Trenitalia
BOLOGNA, 15-16 Giugno 2011