I motori elettrici vengono utilizzati regolarmente nelle applicazioni manifatturiere almeno dalla fine del 1800. Rispetto ai metodi precedenti, offrivano numerosi vantaggi, tra cui una coppia istantanea, una maggiore controllabilità e una minore manutenzione. Anche se la tecnologia dei motori è sicuramente migliorata nel corso degli anni, ci sono ancora grandi progressi da fare. Questo articolo di Analog Devices analizza come il processo per rendere più efficienti i motori elettrici possa portare a ridurre le emissioni che contribuiscono al cambiamento climatico.
L'accordo di Parigi del 2015 ha stabilito un piano per limitare il riscaldamento globale a 1,5 °C entro il 2050. Per raggiungere questo obiettivo è necessaria una riduzione di circa il 70% delle emissioni di CO2 rispetto ai livelli del 2018. L'attuale traiettoria del riscaldamento globale potrebbe causare gravi sconvolgimenti economici, sociali e ambientali. La temperatura del pianeta è già aumentata di 1,1 °C e secondo gli esperti potrebbe superare 1,5 °C nel corso del 2030.
La Figura 1 delinea un percorso verso l'obiettivo di 1,5 °C riducendo le emissioni a meno di 10 Gt di CO2, come illustrato nel World Energy Outlook 2019. In questo report, l'Agenzia internazionale per l'energia (AIE) esamina due scenari per la traiettoria delle emissioni globali. Il primo è lo scenario delle politiche dichiarate, che stima le emissioni sulla base delle politiche governative annunciate pubblicamente. Il secondo è lo scenario di sviluppo sostenibile, che esamina ulteriori percorsi per mitigare le emissioni. La maggiore opportunità di riduzione delle emissioni di CO2 nell'ambito dello scenario di sviluppo sostenibile dell'AIE è rappresentata dall'aumento dell'efficienza energetica, che corrisponde al 37% delle riduzioni dello scenario di sviluppo sostenibile rispetto allo scenario delle politiche dichiarate. Considerando che nel 2022 [2] il 25% delle emissioni di CO2 proveniva dall'industria, l'accelerazione degli investimenti nell'efficienza energetica industriale costituirà una parte importante del percorso verso le emissioni zero nel 2050.
Figura 1: Percorso verso la riduzione delle emissioni di CO2
L'importanza dei motori industriali
La fornitura globale di elettricità nel 2022 è stata di 28.642 terawattora e ha contribuito con 13,2 Gt alle emissioni di CO2. L'industria consuma circa il 30% dell'elettricità globale e, in quest'ambito, i motori elettrici rappresentano circa il 70% del consumo di elettricità. È chiaro che l'efficienza di questi componenti rappresenta un contributo potenzialmente critico al risparmio in termini di efficienza individuato nella Figura 1. Le soluzioni di movimento più semplici e con la minore efficienza si basano su motori trifase collegati alla rete CA che utilizzano quadri elettrici per il controllo di accensione e spegnimento e una protezione di base. Queste soluzioni di movimento funzionano a una velocità relativamente fissa, indipendente dalle variazioni del carico. Le regolazioni delle variabili di uscita (come il flusso del fluido nelle pompe e nelle ventole) vengono implementate con controlli meccanici come acceleratori, smorzatori e valvole, mentre i cambiamenti di velocità significativi vengono implementati mediante ingranaggi.
Figura 2: Ruolo dei motori industriali nel consumo energetico globale
L'aggiunta di un raddrizzatore, un bus CC e uno stadio inverter trifase, come illustrato nella Figura 3(b), crea un inverter con frequenza variabile e un'uscita a tensione variabile che viene applicata al motore per consentire il controllo della velocità variabile. Questo motore azionato da inverter riduce significativamente il consumo di corrente del sistema facendo funzionare il motore alla velocità ottimale per il carico e l'applicazione. Gli esempi includono pompe e ventole ad alta efficienza. Se aggiunto al motore esistente di una pompa, un ventola o un compressore, l'inverter è in grado di ridurre il consumo di corrente del 25-60%, a seconda del motore e dell'applicazione. Per le applicazioni di controllo del movimento a prestazioni più elevate, un VSD (Figura 3(c)) consente un controllo accurato di coppia, velocità e posizione.
Figura 3: (a) Motore CA collegato alla rete (b) Motore alimentato da inverter (c) Azionamento del motore a velocità variabile
Si stima che solo circa 1 su 6 di tutti i motori utilizzati nell'industria siano azionati da inverter o collegati a un VSD. Trasferendo un maggior numero di risorse di movimento dai motori collegati alla rete a quelli con inverter o VSD, è possibile ridurre in modo significativo il consumo energetico e le emissioni di CO2. Il minore consumo energetico permetterebbe di realizzare una produzione più sostenibile con emissioni di CO2 ridotte. In base alle stime, se tutti i sistemi a motore utilizzati funzionassero alla massima efficienza sarebbe possibile ridurre la domanda globale di elettricità del 10%, eliminando 2.490 Mt di emissioni di CO2 nel 2030.
Standard di efficienza dei motori
Per accelerare la diffusione di sistemi a motore a maggiore efficienza, la Commissione elettrotecnica internazionale (IEC) ha contribuito alla definizione di standard per i motori elettrici ad alta efficienza energetica. Questo include lo standard di test IEC 60034-2-1 per i motori elettrici e il sistema di classificazione IEC 60034-30-1 composto da quattro livelli di efficienza del motore (da IE1 a IE4), con la futura introduzione del livello IE5. Gli standard di livello superiore possono essere raggiunti attraverso una progettazione più efficiente del motore o mediante l'aggiunta di un inverter o un VSD alla progettazione di un motore standard. Man mano che le classi di efficienza si fanno più rigorose, diventa sempre più impegnativo e costoso rispettarle migliorando la sola progettazione del motore. Oltre agli ulteriori vantaggi forniti dal controllo a velocità variabile nell'applicazione, l'opportunità di collegare un VSD alla maggior parte dei motori industriali sta diventando sempre più convincente.