Sostituzione dei sistemi pneumatici con motori lineari industriali
LinMot come alternativa pneumatica: gli attuatori lineari elettrici stanno sostituendo i cilindri pneumatici convenzionali in un numero crescente di applicazioni. Le ragioni di ciò includono la scarsa efficienza, gli elevati costi di messa in servizio, conversione, assistenza e manutenzione, nonché la limitata controllabilità dei sistemi pneumatici. Un recente confronto del costo totale di proprietà dimostra che, dati gli attuali prezzi dei componenti e dell'energia elettrica, gli attuatori lineari elettrici si ripagano in pochi mesi, anche in semplici movimenti punto-punto con due posizioni finali, e contribuiscono a ridurre significativamente l'impronta di CO02. Offrono inoltre maggiore flessibilità nella progettazione dei processi produttivi e dei sistemi di monitoraggio della produzione.
Pneumatica: 2/3 dei costi operativi sono destinati all'energia.
Gli azionamenti pneumatici sono caratterizzati da bassi costi di acquisto, robustezza contro le influenze esterne (ad esempio, fluttuazioni di temperatura e polvere) ed elevata resistenza al sovraccarico. Inoltre, sono facili da usare e non richiedono corrente di mantenimento se installati verticalmente. L'aria compressa è utilizzata anche in molti ambienti industriali e di officina per operazioni di trasporto e pulizia, il che significa che i sistemi di compressione sono comunque necessari. Non c'è da stupirsi, quindi, che la pneumatica abbia trovato ampia applicazione e sia presente in molti capannoni industriali.
L'aria compressa è una delle fonti energetiche più costose perché i compressori possono convertire solo una piccola parte dell'energia utilizzata in potenza utilizzabile: la parte significativamente maggiore viene dispersa sotto forma di calore. Le tecnologie più avanzate possono raggiungere un'efficienza di circa il 30%. Ulteriori miglioramenti sono difficilmente possibili a causa dei limiti fisici ormai quasi raggiunti. Oltre alle già elevate perdite dovute al motore, al compressore, alle fasi di avviamento e di arresto, nonché alle perdite derivanti dal trattamento dell'aria compressa, anche le perdite dovute a dispersioni nei sistemi di distribuzione rappresentano un fattore rilevante nella pratica. Di conseguenza, nella realtà (senza ottimizzazioni), dopo ulteriori perdite di conversione nell'attuatore, solo circa il 5% dell'energia utilizzata è disponibile come potenza utilizzabile (Figura, Slide 19). L'efficienza può essere aumentata attraverso una progettazione ottimale del sistema di tubazioni e degli attuatori, un rilevamento costante delle perdite e il recupero del calore. Il Ministero federale tedesco dell'ambiente stima un potenziale di risparmio energetico compreso tra il 20 e il 40%, mentre altri esperti prevedono risparmi significativamente maggiori.
Anche se tutti questi potenziali risparmi potessero essere sfruttati, i sistemi ad aria compressa con un'efficienza complessiva massima raggiungibile del 10% utilizzano comunque l'energia in modo estremamente inefficiente. Ciò si riflette anche sul costo totale di proprietà (TCO) di un compressore: mentre circa il 10% dei costi totali è rappresentato dall'acquisto e un altro 10% dalla manutenzione, i costi energetici costituiscono in genere dal 70 all'80% dei costi totali durante l'intero ciclo di vita del compressore!
Non sorprende quindi che sempre più aziende stiano cercando di eliminare l'uso dell'aria compressa dalle proprie attività o di ridurlo al minimo indispensabile, in un periodo di aumento dei prezzi dell'energia e di crescente consapevolezza ambientale (parola chiave: emissioni di CO2).
Per gli azionamenti pneumatici, quasi senza eccezioni, sono ormai disponibili alternative che non richiedono aria compressa.
Per le applicazioni di movimento lineare, i motori lineari elettrici tubolari, altamente efficienti e universalmente applicabili, rappresentano in molti casi una valida alternativa. LinMot li offre in un'ampia varietà di modelli e classi di prestazioni.
Confronto dei costi tra cilindri pneumatici e motori lineari tramite un esempio pratico concreto.
Sebbene gli azionamenti elettrici siano inizialmente più costosi da acquistare rispetto ai semplici cilindri pneumatici, un'analisi dei costi totali sull'intero ciclo di vita dimostra che i motori lineari industriali di LinMot, in particolare, si ripagano da soli in pochi mesi o addirittura settimane, anche in semplici movimenti punto-punto con solo due posizioni da raggiungere. Ciò è chiaramente dimostrato dal seguente esempio di un movimento orizzontale punto-punto con una corsa di 400 mm e una massa mobile di 15 kg, eseguito a 30 cicli al minuto e un duty cycle del 50% (= tempo di ciclo di 2.000 ms).
L'aria compressa è una delle fonti energetiche più costose perché i compressori possono convertire solo una piccola parte dell'energia utilizzata in potenza utilizzabile: la parte significativamente maggiore viene dispersa sotto forma di calore. Le tecnologie più avanzate possono raggiungere un'efficienza di circa il 30%. Ulteriori miglioramenti sono difficilmente possibili a causa dei limiti fisici ormai quasi raggiunti. Oltre alle già elevate perdite dovute al motore, al compressore, alle fasi di avviamento e di arresto, nonché alle perdite derivanti dal trattamento dell'aria compressa, anche le perdite dovute a dispersioni nei sistemi di distribuzione rappresentano un fattore rilevante nella pratica. Di conseguenza, nella realtà (senza ottimizzazioni), dopo ulteriori perdite di conversione nell'attuatore, solo circa il 5% dell'energia utilizzata è disponibile come potenza utilizzabile (Figura, Slide 19). L'efficienza può essere aumentata attraverso una progettazione ottimale del sistema di tubazioni e degli attuatori, un rilevamento costante delle perdite e il recupero del calore. Il Ministero federale tedesco dell'ambiente stima un potenziale di risparmio energetico compreso tra il 20 e il 40%, mentre altri esperti prevedono risparmi significativamente maggiori.
Anche se tutti questi potenziali risparmi potessero essere sfruttati, i sistemi ad aria compressa con un'efficienza complessiva massima raggiungibile del 10% utilizzano comunque l'energia in modo estremamente inefficiente. Ciò si riflette anche sul costo totale di proprietà (TCO) di un compressore: mentre circa il 10% dei costi totali è rappresentato dall'acquisto e un altro 10% dalla manutenzione, i costi energetici costituiscono in genere dal 70 all'80% dei costi totali durante l'intero ciclo di vita del compressore!
Non sorprende quindi che sempre più aziende stiano cercando di eliminare l'uso dell'aria compressa dalle proprie attività o di ridurlo al minimo indispensabile, in un periodo di aumento dei prezzi dell'energia e di crescente consapevolezza ambientale (parola chiave: emissioni di CO2).
Costi energetici con una soluzione a motore lineare
Il tempo di posizionamento richiesto di 500 ms per questa operazione si ottiene con un'accelerazione di 10 m/s² e una velocità di traslazione di 1 m/s. Il tempo di accelerazione, durante il quale il motore lineare compie effettivamente lavoro, è quindi di 100 ms. Ciò significa che il consumo effettivo di energia si verifica solo durante un quinto del tempo di posizionamento. Durante l'arresto e la traslazione a velocità costante, il motore non consuma energia, ad eccezione della compensazione dell'attrito. L'energia cinetica generata durante la frenata viene convertita in energia elettrica all'interno del motore (effetto generatore) e immagazzinata nei condensatori del circuito intermedio in corrente continua del servocontrollore, dove può essere utilizzata per il ciclo successivo. Questa applicazione può essere realizzata, ad esempio, con un motore lineare LinMot di dimensioni P01-48x240F in combinazione con un servocontrollore LinMot tipo E1100-XC/B1100-XC con un consumo di potenza continuo inferiore a 100 W.
Ipotizzando un tempo di funzionamento annuo di 8.000 ore (su tre turni) e un prezzo dell'elettricità di 0,12 euro/kWh (prezzo per i grandi consumatori industriali, tasse incluse, secondo EUROSTAT), i costi energetici annui ammontano a 96 euro. Una soluzione pneumatica, d'altro canto, risulterebbe significativamente più costosa.
Costi energetici derivanti dall'utilizzo di un cilindro pneumatico
Se si deve movimentare pneumaticamente una massa di carico di 15 kg a una velocità (massima) di 1 m/s, come richiesto nell'esempio applicativo, la valutazione delle corrispondenti curve caratteristiche per la progettazione di cilindri pneumatici di un noto produttore mostra che è necessario utilizzare un cilindro pneumatico con un diametro del pistone di 50 mm.
A differenza di un motore lineare, l'energia (aria compressa) deve essere fornita durante l'intero movimento.
Inoltre, l'energia cinetica viene assorbita dagli ammortizzatori durante la frenata e non può essere immagazzinata per il movimento successivo. Secondo la scheda tecnica, il cilindro selezionato consuma 0,02529 dm³ di aria a 6 bar per millimetro di corsa durante una doppia corsa. Con una corsa di 400 mm, ciò si traduce in un consumo di 10,37 dm³ per ciclo. A 30 cicli al minuto, il cilindro pneumatico richiede un totale di 150.000 Nm³ di aria compressa all'anno in funzionamento continuo (8.000 ore/anno). Tenendo conto delle perdite di pressione, riduzione e trafilamento dell'ordine del 25%, il compressore deve comprimere e immettere nella rete di tubazioni circa 190.000 Nm³ di aria. Un compressore standard (potenza del motore di 750 kW, portata d'aria di 7.500 Nm³/h) può comprimere 1 Nm³ d'aria a 6 bar utilizzando 0,130 kWh di energia elettrica, incluse le perdite dovute all'avviamento, allo spegnimento e alla preparazione dell'aria compressa (per un totale di circa il 25%). Ciò si traduce in costi energetici annuali di circa 3.000 € (0,12 €/kWh * 0,130 kWh/m³ * 190.000 m³), oltre 30 volte superiori rispetto alla sua controparte elettrica. A frequenze di ciclo più elevate, il rapporto si sposterebbe ulteriormente a sfavore del cilindro pneumatico.
Ipotizzando un tempo di funzionamento annuo di 8.000 ore (su tre turni) e un prezzo dell'elettricità di 0,12 euro/kWh (prezzo per i grandi consumatori industriali, tasse incluse, secondo EUROSTAT), i costi energetici annui ammontano a 96 euro. Una soluzione pneumatica, d'altro canto, risulterebbe significativamente più costosa.
Contabilità a costi completi
In un calcolo completo dei costi, ai soli costi energetici vanno aggiunti quelli di investimento e manutenzione. Studi hanno dimostrato che questi rappresentano complessivamente circa il 20% dei costi operativi totali. Nell'esempio qui esaminato, ciò significa che per questi costi è necessario stanziare circa 750 € all'anno, portando i costi operativi totali a 3.750 €. I produttori di soluzioni pneumatiche stimano i costi totali (dopo aver considerato le misure di efficienza energetica!) a 0,025 € per metro cubo standard di aria compressa. Nel nostro esempio, ciò si traduce in costi operativi annuali totali di 3.750 € per i 150.000 Nm³ di aria compressa richiesti da una bombola, confermando quindi l'esempio di calcolo sopra riportato.
Al contrario, un azionamento lineare, comprensivo di tutti i componenti necessari al funzionamento (cavi, inverter, ecc.), costa di più di un azionamento pneumatico (compresi valvole, tubi flessibili, ecc.).
Tuttavia, grazie ai costi energetici notevolmente inferiori, la trazione elettrica si ripaga da sola in meno di sei mesi, dopodiché si possono già notare risparmi considerevoli!
Nel nostro esempio, i costi energetici superano i costi di investimento del cilindro pneumatico dopo sole tre settimane.
Analizzando i costi di investimento e di energia nell'esempio applicativo, l'utilizzo di un motore lineare industriale si traduce in risparmi già dopo 12 o 24 mesi. Risparmio di 2.300 € o 5.900 €. rispetto all'utilizzo di un cilindro pneumatico.
Questo dimostra che, mentre l'aria è gratuita, l'aria compressa non lo è affatto!
A causa dell'aumento dei prezzi dell'elettricità, i costi operativi annuali per bottiglia in questo esempio di applicazione erano nel 2010 a 3.840 EUR (@12 EUR/kWh), ma sono aumentati fino al Anno 2022 a 7.400 EUR (@0,26 EUR/kWh) è quasi raddoppiato.
Emissioni di CO2
Il passaggio a un attuatore lineare elettrico può ridurre drasticamente le emissioni di CO2. I 24.000 kWh aggiuntivi richiesti dal cilindro pneumatico nell'esempio di calcolo corrispondono a un'emissione annua di 12.000 kg di CO2, sulla base del mix energetico tedesco di 500 g CO2/kWh.
Anche il bilancio delle emissioni di CO02 depone chiaramente a favore del passaggio ai motori elettrici a trasmissione diretta.
Una bombola pneumatica da 3 kg produce 12.000 kg di CO2!
Maggiore sicurezza per il futuro grazie all'innovazione e alla flessibilità.
La versione elettrica offre vantaggi che vanno oltre il minore consumo energetico, tra cui una maggiore flessibilità nella progettazione dei processi produttivi e dei sistemi di monitoraggio. Gli attuatori lineari elettrici possono eseguire sequenze di movimento in modo controllato, con una dinamica significativamente maggiore e una ripetibilità superiore. Poiché il profilo di movimento può essere programmato liberamente, anche sequenze di movimento complesse possono essere implementate in modo rapido e semplice e adattate a nuove esigenze, anche durante il funzionamento. Gli attuatori lineari sono notevolmente più silenziosi e durevoli. Sono insensibili alle fluttuazioni di carico e possono avviarsi e arrestarsi in modo fluido. Inoltre, l'elaborazione dei dati generati dall'inverter consente il monitoraggio di vari parametri di processo senza sensori aggiuntivi, e può essere utilizzata anche per la diagnostica remota del sistema. Infine, sono necessari meno componenti, che sono anche significativamente più facili da manutenere e sostituire rispetto ai sistemi pneumatici, con conseguente riduzione dei costi di installazione, manutenzione e logistica.
Conclusione
Quando sono necessarie più di due posizioni, quando è indispensabile la sincronizzazione con un albero verticale, o quando la dinamica o la durata di un cilindro pneumatico risultano insufficienti, i progettisti si affidano da tempo agli azionamenti lineari diretti di LinMot. Grazie agli elevati costi operativi dei sistemi pneumatici, l'utilizzo di LinMot si rivela una scelta vantaggiosa. motori lineari industriali Tuttavia, sempre più spesso questo vale anche per semplici movimenti punto a punto con solo due posizioni finali. Ciò è particolarmente vero quando i movimenti vengono eseguiti regolarmente in un funzionamento ciclico e i cilindri pneumatici devono essere sovradimensionati in base alle condizioni di velocità e carico. In questo caso, l'attuatore lineare elettrico si ripaga da solo in poche settimane.
Costi inferiori.
Meno CO₂.
L'aria compressa ha un costo, più di quanto la maggior parte delle persone immagini. Ti aiutiamo a ridurre in modo sostenibile il tuo consumo energetico e a passare a una tecnologia che si ripaga da sola in poche settimane.
Costi inferiori. Meno emissioni di CO₂.
L'aria compressa ha un costo, più di quanto la maggior parte delle persone immagini. Ti aiutiamo a ridurre in modo sostenibile il tuo consumo energetico e a passare a una tecnologia che si ripaga da sola in poche settimane.
Rapporti di applicazione
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