Questo documento descrive la metodologia per la determinazione del risparmio energetico conseguibile a seguito dell’installazione di sistemi elettronici di regolazione di frequenza (inverter) in motori elettrici che azionano pompe centrifughe chiamate ad erogare una portata di liquido variabile nel tempo. L’interesse nei confronti di detta metodologia deriva dal fatto che l’utilizzo dell’inverter presenta dei vantaggi operativi e di economicità che, sebbene conclamati e largamente riconosciuti, contrastano con l’impiego non ancora sufficientemente esteso nell’industria italiana. Inoltre, l’operazione di sostituzione con dispositivi ad azionamento variabile di motori di altri dispositivi di regolazione rientra tra gli interventi che recenti decreti riconoscono idonei ai fini del contenimento dei consumi energetici negli usi finali e per la valutazione quantitativa dei quali l’Autorità per l’Energia Elettrica ed il Gas ha richiesto al CESI un supporto. Le motivazioni appena esposte evidenziano aspetti problematici che motivano una serie di studi di ricerca in merito, volti all’identificazione degli aspetti che fungono da barriera all’utilizzo efficiente della forza motrice e ad una migliore comprensione degli aspetti vantaggiosi ad essa connessi, a vantaggio dell’intero sistema elettrico nazionale (i produttori di energia elettrica, quelli di macchinario elettrico e gli utenti, prevalentemente industriali, di dette tecnologie). Un capitolo del progetto di ricerca di sistema ELTEC, dedicato ad un più efficiente utilizzo dell’energia elettrica, è stato dedicato a tale tematica; in particolare, l’attività di ricerca è stata ritagliata all’interno del sottoprogetto SCEL il quale, essendo orientato a studi generali, di politica energetica e di gestione strategica del carico elettrico, ben accoglie il presente che include la suddetta Authority tra i destinatari. La metodologia proposta si articola su due livelli: Un primo livello, semplificato, si basa su di una valutazione standardizzata del risparmio medio ottenibile per ogni unità di riferimento e mira a soddisfare le seguenti condizioni: 1. minimizzare la quantità di dati forniti dal proponente, 2. consentire una valutazione “ex-ante”. Entrambi questi vincoli impongono l’assunzione di ipotesi che se da un lato rispondono all’esigenza di disporre di una metodologia semplice nelle fasi di elaborazione, verifica e controllo, dall’altro implicano forzatamente una maggiore approssimazione nei valori dell’energia risparmiata. Le assunzioni per il caso esaminato, nel senso sopra accennato, riguardano: – Il profilo temporale di portata richiesto, – Il tipo di pompa adottata, che si considera sempre a curva caratteristica ripida, – I valori dei rendimenti delle pompe, dei motori e dell’inverter in condizioni nominali, – La variabilità dei rendimenti in funzione del carico • Un secondo livello, destinato ad una valutazione di tipo ingegneristico, che si basa sulla misura di alcuni parametri di utilizzo e su algoritmi predefiniti di calcolo di risparmio di energia primaria. Tale metodologia consente una valutazione più realistica ed accurata dei valori di energia risparmiata in associazione ad ogni singolo intervento; per contro, l’entità del risparmio energetico è nota solo a consuntivo e le operazioni di elaborazione, di verifica e di controllo presentano una maggiore complessità rispetto alla valutazione standardizzata. In entrambi i casi, la metodologia è stata sintetizzata sotto forma di scheda, della quale i dettagli su modelli e assunzioni semplificative adottati figurano come allegati. Allo scopo di ottenere un riscontro sperimentale alle considerazioni svolte, è stata quindi impostata una campagna sperimentale su di una stazione di pompaggio nella quale erano presenti pompe regolabili sia mediante valvola di strozzamento che mediante azionamento variabile; il confronto tra i consumi elettrici nei due casi, corrispondenti a vari regimi parziali di portata, ha portato così ad una valutazione quantitativa del risparmio annuo ottenibile la quale è stata a sua volta posta a confronto con quanto previsto dalla procedura standardizzata. L’attività si è svolta secondo le seguenti linee: – Messa a punto della cosiddetta metodologia standardizzata, la quale dà origine alla relativa scheda di valutazione della riduzione dei consumi

– Messa a punto della metodologia ingegneristica, la quale consente valutazioni più accurate, anche se più onerose – Confronto tra le due metodologie, utilizzando i risultati di una campagna sperimentale svolta ad hoc Disamina di vantaggi e svantaggi della regolazione mediante azionamento variabile Sulla base dei risultati ottenuti, i principali vantaggi dell’utilizzo della regolazione tramite inverter rispetto ad altri tipi di regolazione si riconducono essenzialmente ai seguenti: 1. Manutenzione particolarmente semplice, trattandosi di un apparato elettronico privo di parti in movimento. Conseguentemente, maggiore durata del dispositivo di regolazione. 2. Spiccata idoneità in un contesto di regolazione remota e centralizzata dell’approvvigionamento idrico 3. Invarianza del fattore di potenza con il carico e con valori prossimi all’unità; l’utilizzo dell’inverter conduce quindi anche a costi evitati per il rifasamento che invece sarebbero necessari con una regolazione mediante valvola 4. Correnti di spunto meno marcate rispetto alle altre soluzioni 5. Notevole riduzione dei consumi energetici; tra l’altro, il minore riscaldamento degli avvolgimenti del motore, il minore fabbisogno di raffreddamento per ventilazione e le ridotte perdite fluidodinamiche giocano ulteriormente a favore del contenimento dei consumi energetici. Sono peraltro stati individuati i seguenti aspetti svantaggiosi: 1. L’inverter genera armoniche e di disturbi ad elevata frequenza, che si propagano ad altri utenti alimentati dalla stessa cabina di media tensione; l’inconveniente non è presente laddove (come nel presente caso) l’impianto di pompaggio è servito da una cabina di media tensione dedicata, in quanto il trasformatore media-bassa attenua la propagazione delle armoniche 2. L’inverter presenta una sensitività eccessiva ai disturbi, che spesso conduce ad un eccesso di ingiustificati fuori-servizio; tale inconveniente si verifica di fatti solo per inverter particolarmente sofisticati e non riguarda quelli tipici degli impianti del genere di quello qui considerato 3. Esiste una scarsa propensione dei costruttori di inverter al trasferimento di conoscenze (disegni, documentazione) e al training sulle loro apparecchiature, che viene generalmente trattata alla stregua di una scatola nera dal personale tecnico dell’impianto ove gli inverter sono adottati. Confronto numerico tra le procedure disponibili per il calcolo ex-ante del risparmio di energia primaria E’ stata svolta un’attività sperimentale ad hoc sulle macchine di una stazione di pompaggio dell’Acquedotto Milanese e si sono ottenuti i dati per l’applicazione della procedura ingegneristica. Si è inoltre applicata allo stesso caso la procedura standardizzata. I risultati sono mostrati nella tabella che segue: Procedura kWh/anno elettrici risparmiati tep/anno risparmiati Ingegneristica/sperimentale 410 233 90.25 Semplificata da scheda 126 340 27.795 In sintesi, la sperimentazione condotta porta ad affermare quanto segue: 1. La procedura standardizzata valuta il risparmio in modo conservativo (di circa un fattore tre), anche se l’ordine di grandezza sembra identificato correttamente 2. Le motivazioni di tale scostamento vanno ricercate nelle ipotesi medie di lavoro su cui si basa la procedura standardizzata, sensibilmente diverse da quelle riscontrate nel caso dell’Acquedotto di Milano: essenzialmente, la distribuzione annua di portata elaborata dalla pompa ed i rendimenti nominali del macchinario idraulico ed elettrico. 3. L’adozione di parametri più vicini alla realtà avvicina la valutazione standardizzata a quella ingegneristica/sperimentale