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WHITE PAPERCosti del ciclo di vita (LCC) dei sistemi di pompaggio

per le acque reflueGiugno 2015.

Questo white paper si prefigge lo scopo di contribuire a una migliore comprensione delle ragioni per cui il calcolo dei costi del ciclo di vita (Life Cycle Costs = LCC) può essere di valido supporto alla progettazione e alla scelta di sistemi di pompaggio delle acque reflue più efficienti ed economici. Questo documento descrive tutti gli aspetti dell'equazione generale per il calcolo LCC e analizza nel dettaglio tutti gli aspetti di maggiore rilevanza per i sistemi di pompaggio delle acque reflue. Un'analisi totale dei costi del ciclo di vita (LCC) prende in esame tutti aspetti relativi alla durata di un sistema di pompaggio, tuttavia per molti progetti alcuni elementi dell'equazione sono più importanti rispetto ad altri. Gli elementi dell'equazione che tendono a risultare più significativi dipendono dall'applicazione, dall'ubicazione geografica, dal costo del lavoro e dal costo dell'energia, tutti fattori che possono variare notevolmente da un mercato all'altro.

Costi del ciclo di vita (LCC) dei sistemi di pompaggio per le acque reflue

Il calcolo LCC può essere utilizzato per qualunque apparecchiatura o sistema allo scopo di determinarne i costi di acquisto, esercizio, manutenzione o smaltimento nel corso del tempo. Attualmente, sono disponibili vari modelli di calcolo del costo totale distribuito lungo l'intero ciclo di vita di un prodotto. Indipendentemente dal modello utilizzato, l'obiettivo comune è il medesimo: fornire una stima accurata del costo totale di un sistema di pompaggio nel tempo, espressa in valore monetario rapportabile a quello odierno.

In questo white paper viene utilizzato il modello elaborato dall'Hydraulic Institute, in quanto ampiamente riconosciuto come il migliore.

Oggi, molti sistemi di pompaggio vengono acquistati in base a due criteri fondamentali: la corrispondenza ai requisiti tecnici e il miglior prezzo. Pur se questi criteri sono certamente importanti, essi danno tuttavia una prospettiva ristretta e allontanano dalla comprensione di fattori più profondi che alla lunga determinano costi maggiori nel corso del ciclo di vita del prodotto. Poiché il prezzo di acquisto delle pompe rappresenta meno del 10% dei costi totali del loro intero ciclo di vita, il calcolo LCC è lo strumento in grado di fornire un quadro più preciso del costo totale di un prodotto per tutta la sua durata di vita. Inoltre, può servire a motivare un investimento iniziale più elevato mostrando quanto rapidamente questo investimento ripagherà nel tempo.

Naturalmente, il peso di certi fattori nell'analisi LCC dipenderà da circostanze locali. Ad esempio, nei paesi che godono di energia a basso costo o negli impianti utilizzati solo occasionalmente, i costi energetici potrebbero non costituire un fattore rilevante. Parimenti, i costi di manutenzione non saranno un fattore rilevante in paesi dove la manodopera costa poco. Il vantaggio di un'analisi LCC è dato dal fatto che consente all'utente di concentrarsi sui fattori di maggiore rilevanza per situazioni e sistemi di pompaggio specifici.

L'analisi LCC offre un quadro preciso del consumo di energia e pertanto, indirettamente, delle emissioni di CO2. Con le nuove legislazioni per il contenimento delle emissioni di CO2 varate in molti paesi, i governi centrali e locali sono sottoposti a forti pressioni che li costringono a mostrare una maggiore inflessibilità nella lotta al riscaldamento globale.

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Ripartizione dei costi del ciclo di vita di un tipico sistema di pompaggio delle acque reflue.

IntroduzioneQuando si investe in un sistema di pompaggio, esiste spesso la tendenza a concentrarsi sul costo di acquisto a scapito di altri fattori che potrebbero ridurre notevolmente i costi di esercizio e migliorare le prestazioni. Un modo per evitare questo errore e avere un quadro più preciso dei "costi effettivi" nel corso del tempo consiste nell'utilizzare il calcolo dei costi del ciclo di vita (Life Cycle Costs= LCC).

Questo white paper intende offrire una panoramica di tutti i fattori più rilevanti citati dall'Hydraulic Institute. Tuttavia, l'obiettivo principale è una discussione più approfondita del costo iniziale, del costo dell'energia e dei costi di manutenzione unitamente a esempi e consigli su come ridurre i costi totali.

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Cci = Costi inizialiI costi iniziali includono il costo di acquisto delle pompe, delle tubazioni e di tutte le apparecchiature meccaniche ed elettriche nonché i costi di ingegnerizzazione, test e collaudo, inclusi pezzi di ricambio e formazione del personale.

Cin = Installazione e messa in servizioQuesti costi possono includere opere in muratura, fondazioni, lavori idraulici, posa di cavi elettrici e strumentazione. Possono altresì includere i costi di posa e consolidamento di apparecchiature sulle fondazioni, flussaggio e valutazione delle prestazioni all'avviamento.Questa voce include anche l'installazione e la messa in servizio dei dispositivi di monitoraggio e controllo.

Il tempo di installazione può essere ridotto al minimo o anche azzerato scegliendo di avvalersi di un azionamento a velocità variabile preprogrammata che richiede pochissime attività di configurazione.

Ce = Costi energeticiIncludono tutti i costi dell'energia necessaria per far funzionare la stazione di pompaggio, inclusi azionamento pompa (elettrico o altro), dispositivi di controllo e tutti i servizi ausiliari.

Il costo dell'energia può costituire un fattore significativo, a seconda del tipo di applicazione. Nel caso di una stazione di pompaggio delle acque piovane che funziona per qualche centinaio di ore all'anno, il costo dell'energia rappresenta solo una piccola percentuale dei costi del ciclo di vita (LCC).

Per contro, nel caso di un impianto per il trattamento delle acque reflue che funziona a ciclo continuo, il costo dell'energia rappresenta la voce principale nel calcolo LCC.

Si prevede che le crescenti esigenze di efficienza energetica, derivanti dalle nuove legislazioni in materia, renderanno questo fattore sempre più determinante nella formula totale.

Co = Costi operativiI costi operativi coprono l'impiego della manodopera necessaria per il normale funzionamento del sistema di pompaggio. Questi costi includono, ad esempio, la normale usura, la supervisione del sistema e la pulizia della stazione di pompaggio. I costi operativi non includono il costo dell'energia o della manutenzione della stazione di pompaggio.

Avvalendosi di un sistema di controllo con funzioni di pulizia, è possibile risparmiare il costo della pulizia manuale della stazione. L'analisi LCC può servire a mostrare quanto rapidamente l'investimento in un nuovo sistema di supervisione viene ammortizzato.

Cm = Costi di manutenzione e riparazioneQuesti costi sono direttamente correlati al numero totale di ore impiegate per le attività di manutenzione, sia programmata che straordinaria, e al costo delle parti di ricambio. Costose attività di manutenzione straordinaria possono rendersi necessarie a causa di intasamenti o altri malfunzionamenti.

“Il costo del ciclo di vita di ogni singola apparecchiatura è dato dalla somma dei costi sostenuti per acquistare, installare, utilizzare, manutenere e smaltire tale apparecchiatura.”

Hydraulic Institute

L'Hydraulic Institute ha elaborato la seguente formula LCC per i sistemi di pompaggio, formula che è ormai diventata standard del settore:

LCC = Cci + Cin + Ce + Co + Cm + Cfi + Camb + Cs

Equazione LCC (costi del ciclo di vita)

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Per le piccole stazioni che pompano acque reflue, la manutenzione può costituire un fattore molto rilevante per il calcolo LCC. Ciò vale in particolare nei casi in cui la pompa non è adeguata ai requisiti di manutenzione di quel sistema di pompaggio.

Cf = Costi di fermo macchina Questa categoria si riferisce in particolare ai fermi macchina inattesi, ma anche ai fermi attività dovuti a una perdita di produzione o perfino alla perdita di fiducia da parte di un cliente. L'utilizzo di una pompa di riserva può limitare questo rischio.

I costi di fermo macchina possono essere ridotti al minimo stipulando contratti di manutenzione che garantiscano un servizio regolare e interventi rapidi in caso di emergenza. Utilizzando soluzioni di controllo e monitoraggio si possono prevenire eventuali problemi, evitando così i fermi macchina.

Camb = Costi ambientaliIncludono i costi di gestione di eventuali sversamenti, ispezioni ambientali e smaltimento di contaminanti durante il ciclo di vita del sistema di pompaggio. Questi costi sono spesso stabiliti dalle autorità locali e variano da paese a paese. È incluso anche lo smaltimento delle parti e dei materiali usati. Per informazioni sui materiali utilizzati e sul loro impatto ambientale, vedere la Dichiarazione Ambientale di Prodotto.

Diversi modi di utilizzare il calcolo dei costi del ciclo di vitaL'analisi LCC può essere utilizzata per calcolare il costo totale di un sistema nell'arco dell'intera vita utile del sistema stesso. Quando si effettua un'analisi completa, è necessario raccogliere e immettere i dati inerenti le otto categorie della formula.

L'analisi LCC può anche essere utilizzata per valutare i vantaggi di un investimento e in questo caso vanno inclusi solo i fattori rilevanti per l'analisi in questione. Eseguendo due analisi, una con l'investimento e una senza investimento, e confrontandone i risultati, si ottiene il periodo entro il quale l'investimento viene ammortizzato.

Cs = Costi di smaltimentoI costi di smaltimento includono in genere lo smaltimento della pompa e dei servizi ausiliari nonché la bonifica dell'ambiente locale.

I costi di smaltimento raramente variano per soluzioni simili e spesso sono esclusi dal calcolo LLC.

Quando si confrontano sistemi diversi, vanno immessi i dati pertinenti di entrambi i sistemi per le stesse categorie.

Fattori importanti per i sistemi di pompaggio delle acque refluePoiché alcuni fattori non variano significativamente per i sistemi di pompaggio delle acque reflue, spesso tali fattori possono essere esclusi dal calcolo. In questo white paper vengono presentati tutti i fattori, ma non tutti vengono trattati in modo approfondito. Il documento si concentra sui tre fattori che variano maggiormente: investimento iniziale, costi energetici e costi di manutenzione.

Cosa considerare svolgendo un'analisi LCC

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Investimento iniziale

Diagramma della durataQuando si progetta un sistema di pompaggio e si valuta l'investimento iniziale, per prima cosa è importante ottimizzare il sistema per la portata più comune. Uno degli errori più frequenti consiste nell'ottimizzare la pompa e la stazione per la portata massima specificata.

Figura 1: L'analisi preventiva delle variazioni di portata delle acque reflue può contribuire a evitare il sovradimensionamento della stazione di pompaggio.

Port

ata

in in

gre

sso

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)

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l

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Tempo (ore)

Diagramma della durata

La portata in ingresso a una stazione di pompaggio delle acque reflue spesso varia notevolmente, con un rapporto tipico da uno a 15 tra portata normale e picco di portata. Utilizzando un diagramma della durata della portata, è possibile visualizzare e analizzare queste variazioni (figura 1). Il diagramma della durata mostra la portata nel tempo come pure la portata minima e massima in ingresso alla stazione. La stragrande maggioranza di stazioni di pompaggio delle acque reflue è sovradimensionata rispetto alla portata in ingresso più comune Questo problema tende a far lievitare il costo del pompaggio nonché le dimensioni della stazione. Scegliere una pompa in grado di gestire la portata e prevalenza massime, ma anche in grado di garantire il miglior rapporto tra costi ed efficienza nella gestione della portate più comuni. Evitare l'utilizzo di pompe sovradimensionate, perché faranno aumentare i costi totali. Un modo semplice per ovviare a queste fluttuazioni di portata in ingresso consiste nell'utilizzare più pompe oppure pompe di diverse taglie.

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Progettazione del sistemaL'investimento iniziale include il costo delle pompe e la costruzione della stazione di pompaggio con relative tubazioni. Una stazione più grande richiede un investimento maggiore a causa delle opere e dei materiali aggiuntivi necessari. Una pompa da pozzo sovradimensionata crea anche condizioni meno favorevoli per il pompaggio e consente una maggiore sedimentazione nel pozzo.

Per il pompaggio delle acque reflue, la progettazione della stazione è di fondamentale importanza per la riduzione degli intasamenti e il deposito di detriti (figura 2). Ovviamente, questo aspetto è meno importante per il pompaggio di acque pulite.

Consigli inerenti la progettazione delle stazioni sono disponibili in “Hydraulic Institute Intake Design Standard 9.6”. La maggior parte dei produttori fornisce anche linee guida per il design di una pompa pozzo e vari strumenti per la progettazione della stazione. Utilizzando uno strumento di progettazione della stazione di pompaggio è possibile ottimizzare la portata in ingresso alla pompa riducendo al minimo gli effetti negativi e di ridurre notevolmente l'investimento iniziale.

In caso di retrofit o casi particolari ai quali non è possibile applicare un design standard. potrebbe essere necessario effettuare un'analisi fluidodinamica computazionale (CFD

CFD=Computational Fluid Dynamics) o un test su un modello fisico in scala per garantire un design ottimale della stazione.

La scelta del diametro ottimale della tubazione di mandata è altrettanto importante, particolarmente nei sistemi che richiedono una tubazione di mandata molto lunga. La tubazione di mandata va opportunamente dimensionata per ridurre l'investimento iniziale, i costi energetici e il rischio di sedimentazione. Sebbene una tubazione di diametro più piccolo sia meno costosa da acquistare e installare, è altrettanto vero che la velocità aumenterà determinando pertanto maggiori costi energetici e di pompaggio. Una tubazione di diametro maggiore, determina invece velocità più basse e ciò comporta maggiori rischi di sedimentazione in certe condizioni operative.

Durata La progettazione del sistema incide notevolmente sull'investimento, ma il fattore che incide maggiormente è la durata prevista del sistema. Maggiore è la durata di un sistema di pompaggio minore è la sua incidenza sul costo iniziale, in quanto quest'ultimo finirà per rappresentare una percentuale sempre più piccola del costo totale del ciclo di vita. Nel valutare la durata di una stazione di pompaggio si possono paragonare stazioni già esistenti.

Figura 2: Esempio di design ottimizzato di una stazione di pompaggio.

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Molti fattori contribuiscono a determinare il consumo di energia di un sistema di pompaggio: prevalenza totale, efficienza totale delle pompe (azionamenti, motori e idraulica) e capacità di mantenere un'elevata efficienza nel tempo. Il mantenimento di un'elevata efficienza nel tempo è uno dei principali fattori per le pompe che gestiscono residui solidi (si veda il white paper “Understanding Sustained Efficiency in Non-Clog Pumps”, versione disponibile in lingua inglese).

Energia specificaUno dei metodi per scegliere il sistema di pompaggio delle acque reflue con il minor consumo di energia consiste nell'utilizzare l'energia specifica come misura comparativa.

L'energia specifica è quell'energia necessaria per trasportare un volume di liquido in uno specifico sistema di pompaggio. La soluzione con la minore energia specifica è quella destinata a pompare il fluido con il minore consumo energetico.

L'energia specifica viene calcolata in base a questa formula:

L'equazione può essere ulteriormente sviluppata:

g = accelerazione di gravitàηtot = efficienza totale del sistema di pompaggioρ = densità

Come illustrato sopra, l'energia specifica può anche essere espressa come prevalenza diviso efficienza totale moltiplicato una costante. Pertanto, l'energia specifica può essere diminuita riducendo al minimo la prevalenza oppure aumentando l'efficienza totale.

L'energia specifica di un certo sistema di pompaggio può essere calcolata utilizzando strumenti più completi per la scelta della pompa.

Scelta del diametro della tubazioneNei fluidi che contengono residui solidi, la velocità del fluido nella tubazione di mandata influenza sia la quantità di sedimento sia il consumo energetico (figura 3). Se è vero che le alte velocità nella tubazione di mandata riducono il rischio di accumulo di sedimenti, è altrettanto vero che il consumo energetico aumenta significativamente. Quando l'efficienza totale è costante, il consumo energetico aumenta di un valore pari alla variazione di velocità elevata al quadrato.

Al contrario, il funzionamento a basse velocità del fluido nella tubazione di mandata riduce il consumo energetico, ma aumenta il rischio di sedimentazione. Un ulteriore rischio è costituito dal fatto che se l'acqua viaggia lentamente nella tubazione, potrebbe formarsi uno strato di melma con conseguenti problemi di produzione di acido solfidrico (H2S). Il diametro è quindi molto importante nella scelta delle tubazioni di aspirazione, scarico e mandata.

Con il pompaggio a velocità variabile, è possibile ridurre la velocità del fluido sotto il limite normalmente consigliato di 0,7m/s (2,5 piedi/s) per periodi di tempo prolungati e flussare la linea di scarico aumentando la velocità del fluido per brevi periodi di tempo. La sedimentazione varia in base al tipo e alla concentrazione di sedimenti pesanti e grasso presenti nel fluido: più elevata è la concentrazione di limo e sabbia, maggiore sarà il rischio di sedimentazione. La frequenza del flussaggio dipende dalla progettazione del sistema, dal grado e tipo di contaminanti pompati e dalla velocità minima necessaria per mantenere condizioni di funzionamento ottimali.

Una soluzione alternativa consiste nel dividere in due la tubazione di mandata: Una di diametro più piccolo per portate più basse e una di diametro più grande per portate più alte. In questo modo, si mantiene sempre la velocità ottimale per tutti i tipi di portata e si ottiene in più anche la ridondanza.

Velocità del fluido

Problemi di sedimentazione

Inquinamento aria

Consumo energetico

Ris

chio

Velo

cità

ott

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e

Flus

sag

gio

tu

baz

ione

Figura 3: Consumo energetico e rischio di sedimentazione a differenti velocità in una tubazione di mandata.x tempo

x tempoEs=

Energia =

P

Volume = Q

Es= Energia

=P x tempo

= ρgQH 1

= H

ρg Volume =Q x tempo ηtot Q ηtot

Consumo di energia rispetto a rischio di sedimentazione

Costi energetici

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Monocanale chiusa Bicanale Vortice A vite Monocanale aperta Chopper Autopulente(tecnologia N)

Effi

cien

za (%

)

Efficienza in acque pulite Efficienza in test di intasamento

Tipo di girante

Efficienza totaleL'idraulica, il motore e l'azionamento influiscono significativamente sull'efficienza di una pompa.

Efficienza totale – IdraulicheEfficienza di una pompa per acque reflueL'efficienza di una pompa varia ampiamente a seconda del tipo di girante. L'efficienza indicata dal produttore si riferisce alle prestazioni con acque pulite. Tuttavia, con alcune giranti l'efficienza della pompa si riduce drasticamente nelle acque reflue, spesso a causa di un parziale intasamento della girante. Sono stati condotti alcuni test comparativi in laboratorio tra diversi tipi di idraulica con la simulazione di acque reflue (si veda la figura 4).

Elevata efficienza continuaIndipendentemente dal tipo di girante, è importante mantenere costante l'efficienza iniziale. Usura e intasamenti sono importanti cause della diminuzione di efficienza idraulica.

Quando i residui solidi contenuti nelle acque reflue, ad esempio materiale fibroso, entrano in una pompa convenzionale, rimangono impigliati nei bordi d'ingresso della girante e in altri punti della pompa. Questi depositi spesso determinano una riduzione della portata e dell'efficienza. In questi casi si parla di intasamento parziale (figura 5a).

Se i residui solidi continuano a depositarsi nella pompa, potrebbe verificarsi un intasamento totale con conseguente fermata della pompa stessa, una situazione che richiede costosi interventi di manutenzione straordinaria. Se una pompa per acque reflue convenzionale viene utilizzata in modo intermittente, è possibile che i depositi vengano eliminati dal ritorno di flusso. Il ritorno di flusso si verifica quando la pompa

Figura 4: Molti tipi di giranti perdono molta della loro efficienza se impiegate in acque reflue, ad eccezione delle chopper e delle pompe dotati di tecnologia N autopulente.

viene spenta al termine del ciclo operativo. All'inizio del ciclo successivo, spesso la pompa ha ripristinato la piena efficienza, poiché sono stati rimossi tutti i residui solidi (figura 5b).

Quando si utilizza un azionamento a velocità variabile, la pompa ha dei cicli operativi più lunghi. Ciò potrebbe determinare un aumento dei depositi di residui solidi fibrosi. Gli azionamenti a velocità variabile dotati di specifico software per le pompe per acque reflue sono in grado di rilevare il rischio di intasamento e avviare un ciclo di pulizia della pompa che ne impedisce l'intasamento completo.

Un'elevata efficienza continua può essere ottenuta scegliendo una pompa dotata di idraulica autopulente, come, ad esempio, una girante con tecnologia N (figura 5c). Gli interventi di manutenzione straordinaria possono essere ridotti a un minimo assoluto abbinando ad una girante dotata di idraulica autopulente un azionamento a velocità variabile con funzioni di rilevamento degli intasamenti e pulizia della pompa.

Tempo Tempo Tempo

a. Pompa per acque reflue convenzionale

b. Pompa convenzionale utilizzata in modo intermittente

c. Girante autopulente

Efficienza idraulica

Consumo energetico

Elevata efficienza continua

Figura 5a, b e c: L'efficienza energetica viene mantenuta a un livello elevato e costante quando si utilizza una girante autopulente.

Pompa convenzionale rispetto a una autopulente

Efficienza di diversi tipi di giranti

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Efficienza totale – MotoriI motori elettrici CA sono classificati in base alla loro efficienza in conformità con lo standard internazionale IEC 60034-30-1. Il sistema di classificazione IEC include classi di rendimento che vanno da IE1 a IE4, dove IE4 rappresenta la classe di motori con la massima efficienza. Il requisito di efficienza minimo aumenta con l'aumentare della potenza del motore.

La figura 6 mostra le differenze di efficienza minima tra i vari livelli IE in base agli standard attuali. Più grande è il motore, minore è il risparmio da un punto di vista percentuale.

Per stabilire se un investimento è conveniente o meno, si consiglia di eseguire un'analisi LCC. Si noti come il costo associato alla scelta di una classe di efficienza più alta abbia un'incidenza relativamente elevata sui costi totali. Per questa ragione, il numero di ore di funzionamento all'anno di un motore rappresenta un parametro fondamentale e va necessariamente incluso nell'analisi. Un tempo di funzionamento normale per una stazione di pompaggio per acque reflue è di circa 1.500 ore all'anno.

Figura 6: Classi di efficienza IE1- IE4 per motori di diverse taglie.

Efficienza totale – AzionamentiL'energia specifica per un dato sistema varia in base alla velocità della pompa. Dal punto di vista del risparmio energetico, la velocità ottimale si ottiene quando la pompa gira a una frequenza corrispondente alla minima energia specifica. Il punto di lavoro segue la curva di sistema quando si riduce la frequenza. La figura 7 mostra tre diverse curve di sistema – S1, S2 e S3.

Sistema S1: Questa curva di sistema rappresenta un sistema di sollevamento (la prevalenza statica è superiore alle perdite di carico per attrito). Il potenziale risparmio energetico del funzionamento a velocità variabile nei sistemi di sollevamento, con il punto di lavoro posto a sinistra del punto di massima efficienza, è basso, perché quando si riduce la velocità della pompa l'efficienza della pompa diminuisce più rapidamente di quanto non aumenti la prevalenza totale.

Sistema S2: Questo sistema presenta un migliore potenziale di risparmio energetico rispetto al Sistema S1, in quanto la prevalenza totale diminuisce più rapidamente dell'efficienza, quando si riduce la velocità della pompa. Ciò viene evidenziato applicando la specifica formula dell'energia alla curva del Sistema S2.

70

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100

0.75 1.5 2.2 4 8 15 22 37 55 90 132 200 315 400 500

IE1

IE2

IE3

IE4

Potenza (kW)

Effi

cien

za (%

)

Classi di efficienza IE1- IE4

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Figura 8: L'energia specifica per S1, S2 e S3 come funzione della frequenza, con il maggiore potenziale di risparmio energetico individuato nel Sistema di pompaggio S3.

Sistema S3: Si tratta prevalentemente di un sistema di circolazione (prevalenza statica bassa o nulla). Qui il potenziale di risparmio energetico è massimo, in quanto l'efficienza del sistema di pompaggio è quasi costante a fronte della riduzione della prevalenza totale, quando si riduce la velocità della pompa.

Energia specifica

Ene

rgia

sp

ecifi

ca (k

wh/

m³)

0,12 —

0,10 —

0,08 —

0,06 —

0,04 —

0,02 —

0,00 —l0

l

10l

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30l

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50l

60

Frequenza (Hz)

S3 S2 S1

Prev

alen

za [m

]

25 —

20 —

15 —

10 —

0 —

5 —

l

0l

50l

100l

150l

200l

250

Portata [l/s]

Curva delle prestazioni VFD

60%70%

S2S3

S1

80%

80%

70%

60%

50 Hz45 Hz

40 Hz35 Hz30 Hz

25 Hz

La figura 8 mostra l'energia specifica delle tre diverse curve di sistema. Chiaramente, il Sistema S3 presenta il maggiore potenziale di risparmio energetico se abbinato a un VFD (azionamento a frequenza variabile), con la frequenza ottimale di ogni singola pompa fissata a 23 Hz. Questa, infatti, è la frequenza alla quale viene consumata la minore quantità di energia per trasportare il liquido nel Sistema S3.

Trovare la frequenza ottimale dal punto di vista del consumo energetico durante il funzionamento di una pompa a velocità variabile è piuttosto complicato. Uno dei metodi per identificare la velocità ottimale consiste nell'utilizzare degli algoritmi. Alcune pompe dispongono di controlli intelligenti che si avvalgono di algoritmi per ottimizzare automaticamente la velocità al fine di ridurre al minimo il consumo energetico. Questi algoritmi utilizzano un processo iterativo per stabilire la velocità ottimale e adattarla alle variazioni che possono intervenire nel sistema, come variazioni di portata, variazioni di prevalenza o riduzione delle prestazioni della pompa. Condurre uno studio teorico del sistema di pompaggio è un altro metodo per identificare la frequenza ottimale. Tuttavia, questo approccio presenta alcuni svantaggi, tra cui la possibilità che nel sistema intervengano variazioni in un qualunque momento del ciclo di esercizio.

Nota: L'azionamento consuma energia, determinando una riduzione di efficienza nell'ordine del 3–4% circa. Pertanto, il risparmio energetico ottenuto dal funzionamento alla frequenza ottimale deve essere maggiore di questa percentuale, altrimenti non si avrà nessun vantaggio nell'utilizzare un azionamento a velocità variabile.

Figura 7: Curve di sistema relative a tre diversi sistemi di pompaggio – S1, S2 e S3.

Es= H

ρgηtot

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Investimenti potenziali per la riduzione dei consumi energeticiLa figura 9 mostra una tipica ripartizione dei consumi energetici in una stazione di sollevamento delle acque reflue. La figura mostra altresì il potenziale risparmio che si potrebbe ottenere a fronte di un investimento nella riduzione dei consumi energetici. Una differenza fondamentale tra le singole stazioni di pompaggio è data dalla quantità di energia dedicata al superamento della prevalenza statica (il lavoro di sollevamento effettivo fatto dalla pompa) e quella dedicata al superamento della prevalenza dinamica (perdite di carico per attrito nel sistema e nella tubazione di mandata). Per i sistemi di pompaggio con lunghe tubazioni di mandata, le perdite nelle tubazioni costituiscono il fattore principale, mentre per le stazioni

Figura 9: Ripartizione dei consumi energetici in una tipica stazione di pompaggio delle acque reflue.

Figura 10: Ripartizione dei risparmi energetici indotti dagli investimenti mirati in azionamenti, motori e impianti idraulici.

di sollevamento puro (ad esempio, nella maggior parte delle applicazioni con pompe a elica), la prevalenza statica rappresenta il valore principale della prevalenza totale.Quando si investe in un azionamento dotato di funzione di ottimizzazione energetica, il consumo di energia può essere ridotto del 20 – 50% o più nei sistemi con lunghe tubazioni di mandata. Questo può avere un influenza sostanziale sul consumo totale di energia. Per contro,

potenziali risparmi energetici imputa un 50% all'utilizzo di un azionamento con funzione di ottimizzazione dei consumi, un 5% all'uso di un motore con efficienza di classe Premium e un 45% all'uso di una girante autopulente.

Nel caso di un sistema di sollevamento delle acque reflue, l'adozione di un motore con efficienza di classe Premium consente un risparmio energetico piuttosto limitato, ma potrebbe rendersi necessaria per la conformità ai livelli di emissione dei gas serra, ai requisiti per beneficiare delle agevolazioni fiscali o ai requisiti di legge.

L'analisi LCC rappresenta un eccellente strumento per il calcolo del periodo di ammortamento dell'investimento e dunque un'eccellente guida alla scelta dell'investimento giusto.

45% Funzione diriduzione energia 50%

Idraulicaautopulente 45%

EfficienzaPremium 5%

5%

50%

Costo dell'energia nel tempo Il costo dell'energia è in aumento in molte parti del mondo e si prevede che continuerà ad aumentare. Uno studio intitolato World Energy Outlook 2014 (WEO-2014), pubblicato dalla IEA (International Energy Agency), mostra i costi energetici stimati per differenti aree geografiche fino al 2040 (figura 11). L'aumento stimato dei costi energetici può essere incluso in quasi tutti gli strumenti di analisi LCC.

l'investimento in motori di maggiore efficienza non permette di risparmiare così tanto. Azionamenti, motori e impianti idraulici sono i tre investimenti chiave che possono ridurre i consumi energetici nel tempo (figura 10). Una tipica ripartizione dei

Figura 11: Tutte le economie devono affrontare costi maggiori, ma questo aumento dei costi non è uniforme: La Cina sta superando gli Stati Uniti, i costi raddoppieranno in India e rimarranno alti nell'unione Europea e in Giappone.

© OECD/IEA 2014 World Energy Outlook, Presentazione del 12 novembre 2014 a Londra. Licenza: www.iea.org/t&c/termsandconditions

0

500

1,000

1,500

2,000

UnioneEuropea

Giappone StatiUniti

Cina India

2008 2013 2040$/toe

Costo medio ponderato dell'energia per i consumatori (uso abitativo, uso commerciale, uso industriale e uso agricolo)

Come viene utilizzata l'energia

Nelle aree in cui i costi energetici sono molto bassi oppure per le stazioni di pompaggio funzionanti solo occasionalmente nel corso dell'anno, il costo dell'energia viene spesso omesso dal calcolo LCC. Alcuni paesi impongono requisiti di legge per la riduzione dei consumi energetici. In questi casi, l'analisi LCC può risultare estremamente utile per la scelta della soluzione ottimale con il più basso consumo di energia.

0

10

20

30

40

50

60

Perdite motore

Perdite pompa

Perdite stazione di pompaggio

Perdite della condotta principale

Vantaggio (statico)

How power is used

N° di pompe (3)

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nza

utili

zzat

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W)

0

10

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Perdite motore

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Perdite stazione di pompaggio

Perdite della condotta principale

Vantaggio (statico)

How power is used

N° di pompe (3)

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P 11

Head

620 422mm2

82.8%%82.8%%82.8%%%% Eff.

45 Hz445 Hz4

82.8%2 %%

40 Hz

82.8%82 8%%%

35 Hzz

82.8%882 8%%%

2 Hz3030 H3z

82.8%82 8%8 %%

25 Hz

82.8%%%%%

0.0

1.0

2.0

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19.0

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21.0

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23.0

24.0

25.0

26.0

27.0

28.0

[m]

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

1

600 [l/s]Curve according to: ISO

9906

6.88 m

152.9 l/s

82.8%

Tipo di stazione: Stazione di pompaggio acque grezzeFluido: Acqua pulita Tempo di funzionamento: 5.000 ore/anno (per pompa)Pompe: 3 NP 3301 LT 55 kW (1 di riserva)Durata utile prevista: 25 anniSistema A: Pompe a velocità costanteSistema B Pompe dotate di azionamento a frequenza

variabile e funzione di riduzione dei consumi energetici

In questo esempio, l'analisi LCC viene utilizzata per stabilire se l'investimento in un azionamento dotato di funzioni di riduzione dei consumi energetici sia finanziariamente giustificato. Nel calcolo, sono stati considerati solo i fattori pertinenti. I costi associati all'installazione, allo smaltimento e ai periodi di fermo attività sono stati considerati invariati.

Figura 13: Diagramma della curva di sistema, della curva della pompa e del punto di lavoro.

Esempio 1 Come ridurre il consumo di energia in un sistema di pompaggio

L'azionamento con la funzione di riduzione dei consumi energetici troverà automaticamente la frequenza con la minore energia specifica e ciò equivale a dire che l'energia necessaria per trasportare il fluido sarà ottimizzata al massimo possibile. Per questo sistema, la frequenza sarà di 32 Hz, come illustrato nella figura 12. Il diagramma della curva di sistema, della curva della pompa e del punto di lavoro è riportato nella figura 13.

Figura 12: L'energia specifica è al minimo a 32Hz.

0

0.01

0.02

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0.04

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20 25 30 35 40 45 50 55

Specific energy (kWh/m3)

Energia specifica

Frequenza (Hz)

Ene

rgia

sp

ecifi

ca (k

Wh/

m3 )

Curva di sistema[m]

P 12

Ripartizione dei costi totali

Figura 14: Il Sistema B ha registrato un costo totale minore del ciclo di vita del sistema di pompaggio grazie alla riduzione dei costi energetici.

Figura 15: Il tempo di ammortamento dell'investimento per il Sistema B è di un anno e mezzo circa.

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

1,200,000

1,400,000

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1,800,000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Sistema A Sistema B Anno

Costo netto accumulato ($)

Tempo di ammortamento: 1.33 anni

0

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600,000

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1,200,000

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Sistema A Sistema B

Cenv (Costi ambientali)

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Ce (Costi energetici)

Cic (Costo iniziale di acquisto)

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Sistema A Sistema B

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($)

Come riportato nella figura 14, il costo totale del sistema di pompaggio, inclusi i costi di investimento iniziale, energia, manutenzione, ambientali e operativi, ammonta a $1.620.000 per il Sistema A e a $1.215.000 per il Sistema B. Sebbene il costo di acquisto iniziale del Sistema B sia più alto, il minore consumo di energia riduce di circa un anno e mezzo il periodo di ammortamento di quell'investimento (figura 15).

Calcolo del periodo di ammortamento dell'investimento

P 13

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6%

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26%

34%

10%

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Energetici 34%

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Fermo macchina 4%

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Smaltimento 4%

Manutenzione 26%

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Smaltimento 4%

Manutenzione 26%

La manutenzione di un sistema di pompaggio può essere divisa in due parti distinte: Manutenzione programmata e manutenzione straordinaria.

Manutenzione programmataLa manutenzione programmata è quella già prevista dall'operatore. In genere, è basata sulle raccomandazioni fornite dal costruttore dell'apparecchiatura.

L'intervallo tra gli interventi di manutenzione varia da produttore a produttore e incide sui risultati dell'analisi LCC. Vanno inclusi anche i costi delle parti di ricambio, della manodopera e del trasporto.

Le raccomandazioni in merito agli intervalli di manutenzione spesso si trovano nella guida all'installazione, funzionamento e manutenzione fornita dal costruttore.

Manutenzione straordinariaI costi della manutenzione straordinaria sono decisamente più difficili da stimare. Qualora l'operatore della stazione abbia già esperienze in merito o possa attingere a esperienze di altre stazioni di pompaggio simili, è

opportuno utilizzare queste informazioni per stimare i costi della manutenzione straordinaria.

L'intasamento è una delle cause più comuni degli interventi di manutenzione straordinaria. Il numero di intasamenti di una pompa può variare notevolmente. I principali fattori da valutare sono:

• Il tipo di idraulica della pompa • Il tipo di fluido pompato• Entità dello scostamento di funzionamento della pompa dal punto di miglior rendimento• Durata dei cicli di pompaggio• Taglia della pompa• Coppia del motore

Stima del numero di intasamentiEsperti di idraulica delle pompe, ingegneri, personale di laboratorio e tecnici dell'assistenza di Xylem hanno effettuato uno studio volto a stimare le probabilità di intasamento di una pompa in applicazioni di pompaggio delle acque reflue. I test fisici su larga scala unitamente alle misurazioni sul campo e ai dati raccolti dalla vasta esperienza in applicazioni di pompaggio delle acque reflue hanno fornito i seguenti risultati.

Per stimare il numero di intasamenti di una pompa in un anno di funzionamento, bisogna trovare il coefficiente di intasamento nella tabella 16. Il coefficiente di intasamento dipende dal tipo di idraulica della pompa e dal tipo di fluido pompato (acque pulite, acque reflue con grigliatura fine e acque reflue non grigliate). La tendenza all'intasamento dipende anche dalla taglia della pompa. Valori forniti per pompe di tre diverse taglie, 1,5 – 7,4 kW, 7,5 – 22 kW e 22,1 – 105 kW.

Nota: I numeri riportati nella tabella possono variare a seconda del tipo di fluido pompato. Occorre anche tenere in considerazione le circostanze locali e, se necessario, apportare le opportune rettifiche ai valori.

Coefficiente di intasamento per diverse giranti

Tabella 16: Coefficiente di intasamento delle giranti in diversi tipi di fluidi. La girante bicanale chiusa in acque reflue non grigliate viene impostata su uno come riferimento.

Controllo On/Off Acque pulite Acque reflue con grigliatura fine Acque reflue non grigliate

Potenza (kW) 1,5 – 7,4 7,5 – 22 22,1 – 105 1,5 – 7,4 7,5 – 22 22,1 – 105 1,5 – 7,4 7,5 – 22 22,1 – 105

Monocanale aperta

00,5* (Coefficiente per acque

reflue non grigliate)

0,75 0,75 0,5

Monocanale chiusa 0,75 0,75 0,5

Bicanale chiusa 1 1 0,75

A vite 0,75 0,75 0,5

A vortice 0,5 0,5 0,25

Tecnologia N 0,25 0,25 0

Manutenzione

P 14

Poiché il numero di ore di funzionamento è correlato al numero di intasamenti, nel calcolo si tiene conto anche di questo valore. Il valore viene calcolato come percentuale del tempo di funzionamento della pompa moltiplicato il coefficiente di intasamento riportato nella tabella a pagina 13 moltiplicato un fattore 10, come riportato nella

seguente formula: Nota: Se la pompa è dotata di un azionamento con ciclo di pulizia e girante autopulente, la probabilità di un intasamento si riduce quasi a zero.

La stima dell'incidenza di intasamenti si basa sul presupposto che la pompa funzioni al punto di massima efficienza. Se la pompa funziona con un sostanziale scostamento rispetto al punto di massima efficienza, la probabilità di intasamenti aumenta.

Esempi di ripartizione dei costi del ciclo di vita (LCC) per diverse stazioniI grafici a barre sulla destra rappresentano la ripartizione dei costi del ciclo di vita per pompe di taglie diverse.

La figura 17 mostra la ripartizione dei costi per una stazione di pompaggio con zero richieste di intervento per pompe intasate. Chiaramente, in questo caso la dominante è il costo dell'energia, indipendentemente dalla taglia del motore. La percentuale del costo dell'energia aumenta solo marginalmente con un motore di taglia più grande.

La figura 18 mostra cosa accade quando il costo di due richieste di intervento per manutenzione straordinaria viene inserito nello stesso calcolo. Il costo degli interventi è pari o superiore al costo delle pompe. Si tratta di una situazione abbastanza comune per le piccole stazioni di pompaggio delle acque reflue.

Infine, la figura 19 riporta il calcolo LCC per una stazione molto problematica con dieci richieste di intervento l'anno. In questa situazione, il costo della manutenzione straordinaria supera di molto gli altri costi per le stazioni che utilizzano pompe di taglia più piccola. Per le pompe di taglia più grande, il costo dell'energia rimane ancora il fattore più importante.

Contratti di manutenzionePer le applicazioni in cui ogni interruzione imprevista causa gravi problemi, un contratto di manutenzione che garantisca una manutenzione regolare e programmata rappresenta un modo di migliorare l'affidabilità della stazione di pompaggio. I contratti di manutenzione possono includere ispezioni programmate (in genere, da 1 a 4 all'anno). Ciò consente di evitare fermi macchina imprevisti e costosi interventi di emergenza, che tendono a verificarsi in assenza di una manutenzione preventiva. I contratti di manutenzione possono includere servizi prioritari che contribuiscono a ridurre i fermi macchina.

A complemento dei contratti di manutenzione, spesso sono disponibili anche sistemi di monitoraggio e supervisione. Questi sistemi possono inviare avvisi che richiedono un intervento correttivo prima che una pompa vada fuori servizio. Gli avvisi e allarmi possono essere inoltrati agli addetti all'assistenza su chiamata e le funzioni aggiuntive di registrazione degli eventi possono consentire di effettuare la diagnostica della pompa in remoto per evitare ulteriori fermi attività imprevisti. I sistemi possono essere impostati per inviare tempestivamente gli avvisi in modo da ridurre al minimo il rischio di fermo macchina e permettere al personale di agire rapidamente prima che si verifichi un problema grave.

0%

20%

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5 kW 15 kW 30 kW 60 kW

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Costo energetico (4h/g)

Dimensioni della pompa

Manutenzione programmata

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Manutenzionestraordinaria(2 chiamate)

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5 kW 15 kW 30 kW 60 kW






5 kW 15 kW 30 kW 60 kW


Investimentoiniziale

Costoenergetico (4h/g)

Manutenzioneprogrammata

x Coefficiente intasamento x 10

Figura 17: Ripartizione dei costi per una stazione di pompaggio senza richieste di intervento.

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Figura 18: Ripartizione dei costi per una stazione di pompaggio con due richieste di intervento.

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5 kW 15 kW 30 kW 60 kW





Figura 19: Ripartizione dei costi per una stazione di pompaggio con dieci richieste di intervento.

Intasamenti all'anno =

Ore funzionamento

8760

P 15

0

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Sistema A Sistema B

Cm (Costi di manodopera e riparazione) Co (Costi operativi) Ce (Costi energetici) Cin (Costi di installazione e messa in servizio) Cic (Costo iniziale di acquisto)

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tempo di ammortamento: 3.74 anni

Tipo di stazione: Stazione di pompaggio acque reflue esistenteFluido: Acque reflue non grigliateTempo di funzionamento: 1.500 ore/annoDurata utile prevista: 15 anniRichieste di intervetno all'anno: 26Sistema A: Sistema esistente con due giranti bicanale

chiuse da 30 kW (una delle pompe è di riserva)

Sistema B Sistema aggiornato con due pompe NP3202, girante da 30 kW con tecnologia N (una delle pompe è di riserva)

In questo esempio, una stazione di pompaggio di media grandezza sta avendo problemi di intasamento della pompa che richiede necessariamente interventi di manutenzione straordinaria. La stazione ha due pompe da 30 kW che si intasano in media ogni due settimane. Viene effettuata un'analisi LCC per stabilire se una sostituzione che utilizza due nuove pompe con tecnologia N al posto delle attuali pompe con giranti bicanale chiuse sia un buon investimento. L'installazione di due pompe con tecnologia N consentirà di azzerare l'incidenza degli intasamenti.

Il costo della manutenzione straordinaria spesso si aggiunge ai costi di manodopera, parti di ricambio e viaggio. In questo esempio, il costo per ora/uomo è di $100, mentre ogni intervento richiede in media due ore. In questo caso, non sono necessarie parti di ricambio.

Figura 20: Il Sistema B ha registrato un minore costo del ciclo di vita grazie alla riduzione della manutenzione straordinaria derivata dall'utilizzo di pompe autopulenti con tecnologia N.

Figura 21: Il periodo di ammortamento dell'investimento per il Sistema B è inferiore ai 4 anni.

Poiché questo esempio si riferisce a una sostituzione, ciò significa che gli unici fattori rilevanti per l'analisi LCC sono il costo iniziale della pompa, i costi di installazione e messa in servizio, i costi energetici, i costi operativi e i costi di manutenzione. L'analisi LCC (figura 20) mostra che il costo del Sistema A ammonta a $146.000 su un periodo di 15 anni, mentre il costo del Sistema B ammonta a $93.000, quindi una differenza di $53.000. Il costo iniziale delle nuove pompe con tecnologia N ha un periodo di ammortamento dell'investimento di meno di 4 anni (figura 21). Ciò significa che l'investimento iniziale nella nuova pompa riduce sensibilmente i costi di manutenzione, in quanto si riduce il numero di richieste di intervento per manutenzione straordinaria. Inoltre, prolunga la durata del sistema.

Esempio 2 Come ridurre la manutenzione straordinaria in un sistema di pompaggio

Ripartizione dei costi totali

Calcolo del periodo di ammortamento dell'investimento

Flygt è un marchio Xylem. Per la versione più aggiornata di questo documento e per maggiori informazioni sui prodotti Flygt, visitare il sito www.xylemwatersolutions.com/it © 2015 Xylem, Inc.

Quando si deve decidere un investimento in un sistema di pompaggio per le acque reflue, il calcolo dei costi del ciclo di vita (LCC) rappresenta un valido strumento per la valutazione di tutti i costi, inclusi quelli importantissimi dell'energia e della manutenzione. La formula consigliata consente comunque di adeguare i criteri a sistemi o aree geografiche specifiche, apportando le variazioni che possono e devono essere considerate nel calcolo del costo totale.

L'analisi LCC fornisce alle autorità locali, ai consulenti e ad altre parti interessate un quadro preciso di tutti i fattori chiave che possono aiutare a prendere la decisione migliore in termini di riduzione dei costi dell'intero ciclo di vita di un sistema di pompaggio. Questo strumento consente altresì di evitare l'errore molto comune di considerare quasi esclusivamente il costo dell'investimento iniziale, che spesso rappresenta meno del 10% del costo totale effettivo.

In conclusione, nella valutazione delle varie opzioni di investimento mirate a ridurre i costi totali del ciclo di vita, si consiglia di utilizzare l'analisi dei costi per calcolare il periodo di ammortamento dell'investimento e scegliere la soluzione più conveniente. Si consiglia anche di includere l'analisi LCC nelle specifiche del sistema di pompaggio per essere certi di scegliere la soluzione con il costo del ciclo di vita più basso.

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07Conclusioni

Documents

Costi del ciclo di vita (LCC) dei sistemi di pompaggio per ... del tecnico... · Quando si investe in un sistema di pompaggio, esiste spesso la tendenza a concentrarsi sul costo di