Date post: | 06-Feb-2018 |
Category: |
Documents |
Upload: | hoangduong |
View: | 217 times |
Download: | 1 times |
Convegno qualità, sicurezza e ambiente BIMU 2014
L’efficienza energetica delle macchine utensili: introduzione e aspetti di misura
dell’energia delle macchine utensili
3 ottobre 2014
Giacomo Bianchi Istituto di Tecnologie Industriali e
Automazione Consiglio Nazionale delle Ricerche
Enrico Annacondia Direzione Tecnica
UCIMU-SISTEMI PER PRODURRE STANIMUC
Indice
• motivazione per l’ottimizzazione dell’efficienza energetica
• iniziative legislative e trend industriali
• la norma ISO 14955 Machine tools — Environmental evaluation of machine tools
• la Self Regulatory Measure di CECIMO
• la Blue Philosophy UCIMU
NOTA: l’ing. Annacondia, che non ha potuto essere presente oggi, ha predisposto un’esaustiva presentazione sulla normativa che tratta dell’impatto ambientale delle macchine utensili e sistemi
produttivi, più in generale. La trovate negli atti del convengo.
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione
BARI
LECCO
MILANO VIGEVANO
ITIA coordina 3
progetti EC del
7FP
progetti europei (EC FPs) 24
progetti nazionali 7
progetti regionali 7
contratti industriali 6
personale: 100 ricercatori attività
ITIA è un Istituto del Consiglio Nazionale delle Ricerche, che svolge, promuove, diffonde attività di ricerca a supporto dello sviluppo scientifico, tecnologico, economico e sociale del settore manifatturiero. Esegue attività di ricerca applicata su tecnologie abilitanti, processi e prodotti, integrati a livello di fabbrica.
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
ITIA ha ispirato la creazione della piattaforma europea ManuFuture ed è membro fondatore della Associazione Europea per le Fabbriche del Futuro (EFFRA), dei Cluster Nazionale e Regionale Fabbrica Intelligente.
• progetti di ricerca • contratti industriali • servizi e consulenze • formazione
attività:
Energia: il quadro generale
E’ ancora in fase
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
da Exxon Mobil: 2012 - Scenari energetici al 2014
Pacchetto 20-20-20, entro il 2020 (rispetto al 1990): • -20%, le emissioni di gas serra
derivanti dal consumo di energia nell’UE‐27;
• > 20% di energia da fonti rinnovabili;
• > 10% per i biocarburanti • nel totale dei consumi per
autotrazione; • -20% l’efficienza energetica
(rispetto alle proiezioni per il 2020)
Il 5 febbraio 2014 il parlamento europeo ha votato una
risoluzione per sostenere un triplice obiettivo vincolante al 2030: 40% di riduzione dei gas
serra, 30% di energia da rinnovabili, 40% di riduzione dei consumi (efficienza energetica).
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Norma ISO & Direttive Europee
Norme ISO 14001 (sistema di gestione ambientale)
50001 (sistema di gestione energetico),
Altre norme della serie 14000
14020 (etichette e dichiarazioni ambientali)
14040 (Life Cycle Assesment)
14064:2006 ( quantificazione e rendicontazione delle emissioni di gas serra)
Linee Guida ISO 26000 (responsabilità sociale d’impresa)
19011 (linee guida sui principi dell'attività di audit per ISO 9001 e 14001)
20121 (organizzazione sostenibile di eventi) [E. Annacondia]
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Alcune direttive della Comunità Europea sul tema sostenibilità
• Direttiva 2002/96/CE sui rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche (WEEE) è volta a prevenire e limitare il flusso di rifiuti di apparecchiature destinati alle discariche, attraverso politiche di riuso e riciclaggio degli apparecchi e dei loro componenti.
• Regolamento REACH - entrato in vigore il 1° giugno 2007 con l’obiettivo di razionalizzare e migliorare il precedente quadro legislativo in materia di sostanze chimiche dell'Unione Europea.
• ECOLABEL - è l’etichettatura ecologica definita dalla Comunità Europea ed attualmente normata dal Regolamento (CE) 1980/2000. Essa rappresenta uno strumento di certificazione volontaria, che garantisce al consumatore determinate prestazioni ambientali in termini di impatti ambientali del prodotto/servizio, valutati con un opportuna azione basata sulla metodologia LCA.
• Regolamento della Commissione (CE) 640 / 2009 - specifica i requisiti in materia di progettazione ecocompatibile per i motori elettrici trifase. [E. Annacondia]
Energia e manifatturiero
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Il manifatturiero ha un ruolo importante. Spesso il consumo di energia non è stato ottimizzato nella definizione dell’impianto: farlo può facilmente portare a risparmi significativi…
Impieghi finali di energia per settore (%) in Italia, anno 2012
Drivers per l’efficienza energetica dei macchinari
per ridurre i costi di esercizio del cliente, anche a fronte di un aumento del costo di investimento (ma qual è la sensibilità per il “Total Cost of Ownership”?? spinta al monitoraggio). Quanto impatta il costo energia?
perché il cliente deve dimostrare che riduce l’impatto ambientale del suo prodotto (es. automobile), a partire dalla sua costruzione
come fattore di marketing (“azienda verde”)
perché richiesto da regolamenti attuali o incombenti
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Incentivi all’efficienza energetica: un esempio
www.kfw.de
La Kreditanstalt für Wiederaufbau, una banca pubblica tedesca (80% governo federale, 20% Länder), propone mutui agevolati per macchine ad alta efficienza:
Particularly in difficult economic times, energy efficiency can make an important contribution to reducing the fixed costs of an enterprise. In order for small and medium-sized enterprises to be able to sustain such investments too, we give particular support to SMEs in the form of low interest rates for loans and grants for energy advice.
whom: German and non-German enterprises, joint ventures. what: • for investments in and outside Germany that achieve substantial energy-saving
effects. Outside the EU, the share provided by the German partner will be financed.
• replacement investments must lead to energy end-use saving s of at least 20% on the basis of the average consumption of the previous 3 years.
• new investments must achieve energy savings of at least 15 per cent compared with the industry average.
stand-by
tutto
fermo
stand-by:
25-30% del consumo energetico totale
oggi esistono soluzioni per ridurre il consumo:
modalità stand-by, azionamenti olio con
regolatori di p/Q sulle pompe per la
regolazione primaria, ottimizzazione sistemi
di raffreddamento del fluido di lavoro
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Potenziale di miglioramento: un esempio evidente
Il progettista normalmente si concentra sulle
condizioni di utilizzo più gravose, ma ciò
può portare a risultati non ottimali dal
punto di vista energetico …
spindle working35%
active, no spindle 32%
machine idle34%
TEMPI
machine (spindle working)
48%
spindle 12%
machine (no spindle) 34%
machine(idle) 6%
ENERGIE
fresatura di grandi pezzi: ciclo di test, su due giorni, due turni
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-50
0
50
100
time [hours]
pow
er
[kW
]
total
spindle
idle idle
energia assorbita dal mandrino: 49 kWh; energia rigenerata dal mandrino: 1.2 kWh
(picchi di potenza: meglio ridurre l’accelerazione mandrino ?)
Energia = potenza x tempo: come vengono usate le macchine ?
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Energy using Products Directive
eur-lex.europa.eu www.eup-network.de/background/ecodesign-directive/
Ecodesign Directive eur-lex.europa.eu
Cecimo Self Regulatory Initiative
www.cecimo.eu/ecodesign-eup/selfregulation.html;
EuP preliminary study on MT Fraunhofer (metal and wood working machine tools as well as for welding, soldering and brazing equip.)
www.ecomachinetools.eu
07/05
2009
01/10
04/12
2014
EuP Implementing Measure / SRI activated?
05/10
09/09
ISO 14955-1 Approved ISO 14955-2 Committee Draft
EuP Working plan 2009-2011
eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri= COM:2008:0660:FIN:en:PDF
10/08
today
ISO TC 39 WG (14955): Environmental evaluation of machine tools (metal cutting and metal forming)
www.iso.org/iso/iso_technical_committee.html?commid=48354
2016?
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Efficienza energetica nei sistemi di produzione: attività di normazione e standardizzazione
end of preliminary study
Valutazione Energetica di Macchinari
Una Valutazione Energetica (cfr. ISO 50001), sperimentale o per simulazione, deve
rispondere alle seguenti domande:
• che energia è utilizzata dalla macchina
• dove viene utilizzata nella macchina (cioè in che componenti e sottosistemi)
• quando viene utilizzata, durante il ciclo produttivo
• perché che energia è richiesta dalle varie funzioni della macchina (per es.
movimento, controllo della temperatura, processo di taglio, movimentazione
pezzi,. ..)
Per rispondere a queste richieste, è necessario:
• misurare/stimare l’ evoluzione nel tempo della potenza totale utilizzata dalla
macchine durante il ciclo di prova
• misurare/stimare la potenza utilizzata dai componenti/sottosistemi più
significativi
• caratterizzare la produzione della macchina, per valutare un’ efficienza
energetica (Nr. pezzi/energia)
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
14
ambito della ISO 14955: macchine utensili e energia
“This standard is the application of eco-design standards to machine tools, mainly for metal working numerically controlled (NC) machine tools.” (it will also cover woodworking machines)
machine tool definition (see the wide MT definition in the EuP Preliminary Study): “mechanical device which is fixed (i.e. not mobile) and powered (typically by electricity and compressed air), typically used to fabricate metal components by the selective removal or mechanical deformation. [Other machine tools e.g. laser cutting machine tools, material additive machine tools, … are currently not covered by informative annexes]”
“This standard addresses the energy efficiency of machine tools during the use stage, i.e. the working life of the machine tool. Environmental relevant stages other than the use stage and other relevant impacts than energy supplied to machine tools are not within the scope of this standard and need a special treatment, e.g. according to ISO/TR 14062:2002.”
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Funzioni primarie e secondarie della macchina
La norma propone di considerare aggregare il consumo secondo queste Funzioni per stimolare
modifiche funzionali (per es. passare a lavorazioni a secco) e non solo
mirate a migliorare il singolo componente.
La norma parte 1 riporta in
appendice elenchi di “Potential improvements” ordinati per
Funzione.
Machine operation
(machining process, motion
and control)
Workpiece handling
Process conditioning and
cooling
Machine cooling/heating
Recyclables and waste
handling
Generalized machine tool
functions
(1st level functions)
Tool handling, or die
change
Machining process
Motion
Control
Process conditioning
Process cooling
Tool change
Tool storage
Machine cooling
Machine heating
Sub functions
(2nd
level functions)[ISO 14955]
Allocazione dell’energia utilizzata dai Componenti alle Funzioni
La norma prescrive di compilare una tabella che
indichi quanto ogni componente “lavori” per le varie Funzioni. Di solito si
utilizza una stima approssimativa delle %, che comunque ha poca influenza
sulla valutazione complessiva.
24 V supply
230V supply
E/R module supply
Monitoring module
CNC Total
Chip conveyor
Mist collector
Hydraulic system
Fluid system
Spindle cooling pump
Cooling fan
Fan E/R module
CNC air-conditioning
Air compressor
100%
Specific turning
machine
Ma
ch
ine
op
era
tio
n
(ma
ch
inin
g p
roce
ss,
mo
tio
n a
nd
co
ntr
ol)
Wo
rkp
iece
ha
nd
ling
Pro
ce
ss c
on
ditio
nin
g a
nd
co
olin
g
Re
cycla
ble
s a
nd
wa
ste
ha
nd
ling
Ma
ch
ine
co
olin
g/h
ea
tin
g
80%
100%
100%
100%
50%
75%
80%
10%
100%
100%
25%
25%
25%
100%
100%
100%
100%
To
ol h
an
dlin
g, o
r d
ie
ch
an
ge
20%
10%
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
[ISO 14955]
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Misura dei flussi di potenza el
ectr
ical
en
ergy
la valutazione energetica deve
considerare tutti i flussi di potenza rilevanti, a livello
macchina ed impianto, richiesti per
il ciclo produttivo
Machine tool
Compressed air
Compressed Air Supply
Electrical energy
= constant Measuring point i
X
losses
tutte le energie vanno trasformate in kWh …
[ISO 14955-2]
19
Consumo dei componenti rispetto alle funzioni
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
bilancio energetico a livello Funzionale
misura della potenza: a livello di Componenti
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
MachineOpera on
ProcessC+C
PartHandling
ToolHandling
WasteHandling
MachineCooling
miglioramenti di progetto: • modificare i requiresiti funzionali (per es.
e.g. adopt dry cutting) • dimensionamento ottimale (per es.
pompa ottimale per il circuito idraulico) • componenti più efficienti (per es. motori
elettrici più efficienti)
mappatura del consumo dei Componenti sulle Funzioni Macchina
75%
3% 0%0%9%
13%
test trajectory: dissipated energy - %
machine in stand-by X axis Y axis Z axis spindle working chillers
per le tipologie di macchine
esaminate (con motori rotativi e
lineari), in fase di finitura è
fondamentale considerare il consumo
degli organi ausiliari, a partire dallo
stato di attesa pezzo (!!).
Utili strategie di stand-by specifiche.
23%
16%
32%
15%
2% 1%11%
power absorbed by a machine tool in stand-by (%)
power drives AR Spindle chiller (stand-by) Axis chiller (stand-by)
hydraulic power unit PLC Num Contr
Lights, rest of electrical cabinet
consumo di energia in un
ciclo test simile ad una
lavorazione di finitura:
rilevanza del “consumo-
base”.
I “consumatori” in una fresatrice: un esempio
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Design Guidelines: come migliorare l’efficienza energetica
eliminare o rilassare alcuni requisiti funzionali (per es. sul fluido da taglio, aria compressa, controllo termico della macchina, accelerazione, …)
concezione complessiva della macchina (per es. strutture più leggere, azionamenti idraulici o elettrici ?)
dimensionamento ottimo dei componenti (per es. pompa e circuito idraulico, motori assi, getti d’aria per la pulizia, …) (evitare sovradimensionamento, cercando il giusto compromesso con la standardizzazione aziendale)
scegliere componenti più efficienti (per es. motori elettrici, pompe,…)
adottare strategie di controllo a livello macchina ed impianto che considerino il consumo energetico (per es. velocità di lavorazione ottimale, accelerazioni, gestione degli stand-by, …)
informare l’utente sul consumo energetico, per aumentare la sua consapevolezza, suggerire parametri di processo migliorativi
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Le appendici A e B della 14955 parte 1 elencano “Potential Improvements” rispettivamente per le macchine ad asportazione e a deformazione
ISO 14955-1: indice complessivo dei Potential Improvements
No. Requirements on
1 Overall machine concept
2 Drive units
3 Hydraulic systems
4 Pneumatic systems
5 Electric systems
6 Cooling lubrication system
7 Cooling system
8 Peripheral devices
9 Guidance for energy efficient use
10 Control systems
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
[ISO 14955-1]
Potential Improvements: concezione complessiva di macchina
14955 - part 1: well tried design principles for machine components, control components and combinations of machine components for energy-efficient metal cutting machine tools
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
Potential Improvements: drive units
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
14955 - part 1: well tried design principles for machine components, control components and combinations of machine components for energy-efficient metal cutting machine tools
Il caso di una fresatrice: efficientamento energetico
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
energy saved
ECO-MACHINE: energia usata nel ciclo di test [kWh]
Definizione dei cicli di test
esigenze (soliti compromessi …):
• prove ripetibili (limitare l’effetto di variazioni incontrollate dovute all’usura e alla morfologia dell’utensile, specifico materiale del pezzo, …)
• caratterizzare la macchina: il ciclo di test deve sollecitare tutte le funzioni rilevanti della macchina
• stimare l’efficeinza energetica per il cliente specifico: lavorazione del pezzo cliente con il suo ciclo di lavoro
• cheap and fast: poche prove, strumentazione semplice (più difficile per le macchine a deformazione …)
• prove effettuabili su una macchina completa, in condizioni operative, senza richiedere preparazioni particolari
• applicabili ad una vasta gamma di macchine
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
direzioni di sviluppo ISO 14955 part 3&4 (appena avviate):
• per MU d’asportazione si vuole minimizzare le prove di taglio (movimentazioni a vuoto, …)
• per MU a deformazione verranno proposti cicli di lavoro simulati, senza stampo …
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
ISO 14955 Part 3: Test pieces / test procedures and parameters for metal cutting machine tools
• the part that will be produced on the machine tool is known (individually defined between builder and user)
• operating conditions are known
• only valid for mass production
• amount of energy needed to produce one part (energy per part)
• measurements can be easily done during the machine capabilty study (according to ISO 26303)
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
ISO 14955 Part 4: Test pieces / test procedures and parameters for metal forming machine tools
• si vuole evitare che i risultato dipenda dallo specifico stampo utilizzato.
• lo stampo spesso non è ancora costruito quando viene scelta la pressa
• è facile simulare un predefinito ciclo pressione / corsa
29
Remarks on the CECIMO Self Regulatory Measure
Outcomes of May 2014 Forum on the Ecodesign Consultation for Lot 5
products (Machine Tools – MT - and related machinery):
• MTs are much more complex than any other products dealt so far
under Ecodesign Directive
• Lack of relevant data set on various Energy Efficiency aspects for MTs
• High market coverage obligation (80% according to VA Guidelines –
currently under revision)
• Lack of market surveillance
• Lack of incentives for companies (to invest in energy efficient solutions)
or for customers (who would like to invest in the energy efficient MTs)
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
30
CECIMO Self Regulatory Measure: next steps (estimated!)
• DG Enterprise will its Impact Assessment and Policy Option, to be
evaluated by the Impact Assessment Board (aimed for early 2015)
Then two alternatives:
• SRM for the metal-working MTs: possible endorsement in 2015
• Implementing Measures (per sector, e.g. welding): possible adoption in Q1
2016 (establishment of Implementing Measures will require various
stages: WTO notification, consultation with the European Parliament etc.)
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
per poter apporre il marchio CE (Direttiva Macchine), sarà necessario soddisfare anche i requisiti di efficienza energetica.
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
La Blue Philosophy
• Rappresenta il “nuovo corso” del noto MARCHIO UCIMU
• Simboleggia l’attenzione dei produttori italiani di macchine utensili per il tema della sostenibilità – Nelle sue tre declinazioni
• economica
• sociale
• ambientale
per concludere …
• L’Impatto Ambientale sta rapidamente diventando un importante fattore competitivo, ma non tutti cercano di sfruttarlo …
• In un paio d’anni i regolamenti europei richiederanno l’eco-design di molti prodotti, tra cui le macchine utensili
• Bastano poche misure per identificare gli elementi che principalmente concorrono al consumo della macchina in produzione
• Tipicamente il maggior potenziale di risparmio si ha nelle condizioni di carico parziale (gestione attese, stand-by) e nei sovra-dimensionamenti
• Alcune strategie portano ad ottimizzazioni già effettuate dai costruttori ed utilizzatori (ridurre le inerzie, ridurre le forze di taglio)
• Molte soluzioni tecniche sono già disponibili, è necessario sviluppare conoscenze e strumenti per ottimizzare il Total Cost of Ownership della macchina e dell’impianto
Grazie per l’attenzione e contattateci per approfondimenti ed applicazioni !
BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014
from research .… to market
Grazie per l’attenzione e contattateci per approfondimenti ed applicazioni !
ing. Enrico Annacondia