Il calcolo dei costi operativi per l’energia è – o meglio dovrebbe essere – il passo fondamentale per un consapevole acquisto del sistema di asservimento idoneo ad ogni applicazione.

Un sistema di asservimento, è bene precisarlo, può essere costituito sostanzialmente da attuatori che possono diversificarsi in base al tipo di azionamento: pneumatico o elettrico.
Da qui l’annosa questione: Meglio un attuatore pneumatico o un attuatore elettrico?

In realtà nella macro categoria degli attuatori ad azionamento elettrico, è bene distinguere tra:

Con questo voglio dire che non esiste una categoria di Attuatori che per definizione è sempre migliore delle altre.
La fatidica scelta infatti dipende dal tipo di applicazione che una macchina automatica è chiamata a risolvere.

Per esempio gli attuatori pneumatici vengono scelti in bontà del contenuto costo di acquisizione. Vengono utilizzati in applicazioni semplici, dove avere due posizioni di fermata è sufficiente. Certo ottenere più posizioni di fermata è possibile, ma per farlo bisogna inserire nel circuito un complesso sistema di valvole. In questo caso va detto però che la ripetitibilità raggiungibile non è affatto paragonabile ai i corrispettivi elettrici.

Molto probabilmente, all’interno della tua azienda, hai usato o stai usando – nelle tue macchine di produzione, macchine di assemblaggio o isole robotizzate – delle batterie di attuatori pneumatici per operazioni di serie.

Per il momento prova a non considerare il risalto che le soluzioni “a prova di futuro” e tecnologicamente avanzate rappresentate dagli attuatori con motori lineari possono dare alle tue macchine. Prova anche a non considerare gli inequivocabili trend di mercato che hanno visto crescere negli ultimi anni di cinque volte il mercato degli attuatori elettrici rispetto a quello degli attuatori pneumatici.

Devi sapere che un recente studio sul confronto dei costi totali (acquisizione, esercizio e manutenzione) dimostra che gli azionamenti lineari elettrici, a prezzi correnti per i componenti e l’elettricità, si pagano da soli nel giro di pochi mesi anche per semplici movimenti da punto a punto con due posizioni finali.

L’aria compressa è senza ombra di dubbio uno dei mezzi energetici più costosi, perché i compressori possono convertire solo una piccola parte dell’energia immessa in energia utile.

La grande maggioranza viene dissipata come perdita di calore.
La tecnologia più recente consente di raggiungere un’efficienza di circa il 30%. Ulteriori aumenti sono quasi impossibili, in quanto sono stati praticamente raggiunti i limiti fisici.

Oltre ai già elevati costi del compressore, delle perdite all’avviamento del motore e delle perdite dovute al trattamento dell’aria compressa, ulteriori perdite si verificano nei sistemi di distribuzione.
In realtà, quindi, in caso di mancata ottimizzazione, dopo un’ulteriore conversione la quantità di energia utile che rimane disponibile per gli attuatori, si attesta ad uno striminzito 5% circa dell’energia in ingresso prodotta.

Non c’è da stupirsi, quindi, che in tempi di aumento dell’energia, e maggiore consapevolezza ambientale (in particolare per quanto riguarda le emissioni di CO2), che sempre più aziende stiano richiedendo sulle proprie macchine l’installazione di attuatori elettrici in luogo di quelli pneumatici, soprattutto nei casi di medie e grosse produzioni.

Energia ed efficenza

Certo una progettazione ottimale del sistema di tubazioni e degli attuatori pneumatici, un monitoraggio rapido delle perdite e del calore, l’inserimento di sistemi di recupero possono aumentarne l’efficienza.
Tuttavia l’attuazione pneumatica è e rimane un sistema che utilizza l’energia prodotta in modo molto inefficiente, con un’efficacia complessiva massima raggiungibile del 10%.

Sono sicuro che a questo punto obbietterai:” Certo, ma gli attuatori elettrici con motori lineari hanno costi di acquisizione maggiori!”.

Certo, gli azionamenti elettrici hanno in effetti un costo d’acquisto più alto rispetto ai semplici cilindri pneumatici e agli attuatori pneumatici. Ma un’analisi dei costi totali nel corso della loro vita utile ha dimostrato che gli attuatori elettrici e quelli con motori lineari, in particolare, come accennavo poc’anzi, possono ripagare se stessi nel giro di pochi mesi. Questo anche in applicazioni composte da semplici movimenti punto a punto o se preferisci tra due semplici posizioni.

Attuatore con corsa orizzontale da punto a punto di 400 mm e 5 kg di massa in di movimento, operando a 30 cicli al minuto e con un duty cycle cycle del 50% (= 2.000 ms cycle time).

Facciamo riferimento al modulo taglia 60 del Serialpicker: Il tempo di posizionamento richiesto di 500 ms si ottiene con un’accelerazione di 10 m/s² e una velocità di traslazione media di 1 m/s.

Il tempo di accelerazione, durante il quale il motore lineare fa un lavoro utile, è quindi 100 ms. Ciò significa che l’effettivo assorbimento di energia avviene solo durante un quinto del tempo di posizionamento.

Consumo di energia

A motore fermo e in marcia a velocità costante, il motore non assorbe alcuna energia in più di quanto necessario per superare l’attrito. L’energia cinetica che si verifica durante la frenata viene convertita in energia elettrica dal motore (tramite l’effetto generatore) e immagazzinata in appositi condensatori intermedi del servo controllore, dove può essere usata per il ciclo successivo.

Supponendo 8.000 ore di funzionamento all’anno (operazioni su tre turni) e un prezzo dell’elettricità di 0,12 EUR/kWh. (prezzo per i grandi consumatori industriali, tasse incluse, fonte EUROSTAT) il costo totale annuo dell’energia è del 96 Euro. Una soluzione pneumatica sarebbe molto più costosa, come vedremo.

Come richiesto dall’esempio di applicazione, se una massa di carico di 5 kg viene trasportata con un cilindro pneumatico ad una velocità (massima) di 1 m/s,  l’analisi delle curve caratteristiche appropriate per la progettazione di cilindri pneumatici di un famoso costruttore indica che dovrebbe essere utilizzato un cilindro pneumatico con un pistone di 32 mm di diametro.

A differenza del motore lineare, l’energia (aria compressa) deve essere immessa durante l’intero movimento.
L’energia cinetica che scaturisce dalla frenata di un cilindro pneumatico non può essere immagazzinata per un uso successivo ma sarà essere assorbita dagli ammortizzatori.

Consumi di un attuatore pneumatico

Secondo la sua scheda tecnica, il cilindro selezionato consuma 0,01047 dm³ di aria a 6 bar per ogni millimetro di corsa al ciclo. Per una corsa di 400 mm, questo si traduce in consumo di 4,188 dm³ per ciclo.

A 30 cicli al minuto, il cilindro pneumatico richiede quindi un consumo totale di 60.500 Nm³ di aria compressa all’anno per il funzionamento continuo (8.000 h/anno).
Considerando perdite di avviamento, di carico, di riduzione e gestione, il compressore deve comprimere e immettere un totale di circa 80.000 Nm³ di aria nella tubazione.

Come ben sai un normale compressore (motore da 750 kW, portata aria 7.500 Nm³/h) può utilizzare 0,130 kWh di energia elettrica per comprimere da 1 Nm³/h a 6 bar, comprese le perdite all’avviamento e la gestione dell’aria compressa.
Il costo totale annuo dell’energia si attesta quindi in circa 1.294 euro (0,12 Euro/kWh*0,130kWh/m³*80.000 m³), ovvero più di 13 volte il costo di gestione di un attuatore lineare elettrico dotato di motore lineare equivalente.
Aumentando la taglia del cilindro questo prodotto andrebbe ad incrementare ulteriormente lo svantaggio del cilindro pneumatico.

Un altro enorme vantaggio della scelta di un attuatore elettrico rispetto ad uno pneumatico è la riduzione drastica delle emissioni di CO2.
L’energia di 10.000 kWh, richiesta anche da un solo cilindro pneumatico in questo esempio di calcolo, si traduce in una produzione annua di circa 5.300 kg di CO2,

5.300 Kg/anno!

Forse è il caso di iniziare a valutare qualche cambiamento…