Quando si progetta un nuovo impianto di movimentazione per polveri o granuli, l’attenzione iniziale cade quasi sempre sul CAPEX (CAPital EXpenditure), ovvero sul prezzo d’acquisto dei macchinari. Può essere fuorviante, o quantomeno incompleto. Uno degli impatti sulla redditività dell’azienda si nasconde nei costi di gestione annuali, l’OPEX (OPerational EXpenditure), dove la bolletta elettrica ha in impatto rilevante.
Entrambi i trasporti sono più che validi, ma un impianto pneumatico deve produrre e movimentare un flusso d’aria, mentre un convogliatore meccanico tubolare trasmette il movimento direttamente al materiale attraverso una catena o una fune dotata di dischi.
La domanda a cui vogliamo rispondere è: quanto incide questa differenza in termini di costi energetici? Tramite un esempio e alcuni semplici dati proveremo a dare una risposta.
LA FORMULA DELL’OPEX ENERGETICO
Per tradurre i chilowatt assorbiti da un impianto in euro a fine anno, si parte da un’equazione fondamentale:
Cannuo = Pass × h × ckWh
Dove:
- Cannuo: Il costo energetico annuale espresso in euro (€/anno).
- Pass: La potenza elettrica media effettivamente assorbita dal sistema (kW) durante il lavoro.
- h: Le ore totali di funzionamento dell’impianto in un anno.
- ckWh: Il costo della componente energia applicato allo stabilimento (€/kWh).
COME SI CALCOLA LA POTENZA ASSORBITA?
Il motivo per cui un sistema pneumatico e uno meccanico hanno consumi così diversi risiede nel modo in cui generano il movimento.
1 – Il Trasporto Pneumatico in Fase Diluita
In un impianto in fase diluita, l’energia elettrica serve a far girare una soffiante a lobi che muove grandi masse d’aria a bassa pressione. La potenza assorbita si calcola con la formula:
Pass = (Q × ΔP) / (3600 × η)
- Q (Portata d’aria della soffiante): espressa in m³/h.
- ΔP (Differenza di pressione): espressa in kPa.
- η (Rendimento globale della soffiante): stimato a 0,65.
- 3600: fattore di conversione per ottenere il risultato direttamente in kW.
2 – Il Trasporto Pneumatico in Fase Densa
La fase densa spinge il materiale in modo compatto sul fondo della tubazione formando delle dune o delle spinte ad intermittenza. Per farlo, utilizza un propulsore (un serbatoio a pressione) alimentato da aria compressa ad alta pressione (a 6-7 bar).
La potenza assorbita dipende dal consumo d’aria e dall’efficienza del compressore che la genera:
Pass = Qaria × Espec
- Qaria: Portata media di aria compressa consumata dal sistema, espressa in Normal-metri cubi all’ora (Nm³/h).
- Espec: Consumo energetico specifico del compressore per produrre un Normal-metro cubo d’aria (valore medio industriale standard di 0,11 kWh/Nm³ per compressori a vite a 7 bar).
3 – Il Trasporto Meccanico e la trazione diretta
I convogliatori tubolari a dischi applicano una forza meccanica diretta sulla catena o sulla fune. La potenza assorbita si ricava direttamente dal motore elettrico:
Pass = Pnominale × Kcarico
- Pnominale: Potenza nominale del motoriduttore (kW).
- Kcarico: Fattore di carico medio, ovvero la percentuale di sforzo reale del motore quando l’impianto lavora a regime pieno (stimato intorno a 0,73).
CASO STUDIO: 70 METRI 15 TONNELLATE/ORA A CONFRONTO
Ipotizziamo un caso studio supponendo qualche numero. Immaginiamo di dover trasportare 15 tonnellate all’ora di una polvere su un percorso di 70 metri. L’impianto lavora su due turni per 4.000 ore all’anno, con un costo dell’energia stimato di 0,20 €/kWh.
Per la fase diluita
Per coprire 70 metri a 15 t/h, serve una portata d’aria di Q = 1200 m³/h e una pressione di ΔP = 78 kPa (780 mbar).
Pass = (1200 × 78) / (3600 × 0,65) ≈ 40 kW
Per la fase densa
Per muovere lo stesso materiale su 70 metri, il sistema consuma in media 4 Nm³/min di aria compressa (pari a 240 Nm³/h). Aggiungendo i consumi degli ausiliari elettrici del propulsore (circa 1,6 kW):
Pass = (240 Nm³/h × 0,11 kWh/Nm³) + 1,6 kW ≈ 28 kW
Per il trasporto meccanico
Per far girare una catena a dischi su 70 metri sotto carico, si installa un motore da 11 kW commerciale. Con un fattore di carico Kcarico = 0,85:
Pass = 11 kW × 0,85 ≈ 9.5 kW
Tabella Riassuntiva: Parametro Tecnico ed Economico
| Parametro | Pneumatico Fase Diluita | Pneumatico Fase Densa | Meccanico Tubolare |
|---|---|---|---|
| Potenza Installata Totale | Soffiante 45 kW + Ausiliari (3 kW) = 48 kW | Compressore d’aria dedicato ~ 37 kW | Singolo Motoriduttore da 11 kW |
| Potenza Assorbita Media (Pass) | ~ 40 kW | ~ 28 kW | ~ 9.5 kW |
| Consumo Elettrico Annuo | 160.000 kWh | 112.000 kWh | 38.000 kWh |
| Costo Annuale in Bolletta | 32.000 €/anno | 22.400 €/anno | 7.600 €/anno |
Riassunto
La fase densa si dimostra sensibilmente più efficiente rispetto alla fase diluita grazie al minor volume d’aria utilizzato con una differenza di 9.600 €/anno. Tuttavia, entrambi hanno un costo energetico maggiore rispetto al trasporto meccanico a dischi con un risparmio che può arrivare anche a 24.400 €/anno.
Calcolatore ROI, Payback Period e Risparmio Energetico Annuo
Confronto costi energetici: Trasporto Meccanico vs Trasporto Pneumatico
Parametri Operativi d'Impianto
Calcolo annuo prudenziale basato su 300 giorni lavorativi d'esercizio (~4800 h/anno).
Sviluppo fisico dei layout:
Massa oraria equivalente stimata su densità apparente.
Peso specifico apparente (bulk density) espresso in kg/dm³ (equivalente a t/m³).
Indica quanto costa in più (o in meno) installare l'impianto meccanico rispetto a quello pneumatico. Usa valori negativi se l'alternativa pneumatica (es. fase densa con compressore e propulsori) risulta inizialmente più costosa da acquistare.
Costi Energetici Annuali Stimati (€)
CONFRONTO ECONOMICO MECCANICO
VS FASE DILUITACONFRONTO ECONOMICO MECCANICO
VS FASE DENSAIL CALCOLO DEL TCO A 5 ANNI E ROI
In ogni investimento industriale, oltre all’esborso iniziale, è corretto anche considerare il TCO (Total cost of ownership) su un orizzonte temporale che può andare dai 5 ai 10 anni. Il TCO si può calcolare come segue:
TCO = CAPEX + (Cannuo × 5) + Costi Manutenzione
Considerando i costi di manutenzione più o meno equivalenti (da una parte c’è la gestione di filtri e compressori e dall’altra delle funi e catene), possiamo empiricamente calcolare il risparmio:
- Trasporto meccanico vs trasporto pneumatico a fase diluita: 122.000 €
- Trasporto meccanico vs trasporto pneumatico a fase densa: 74.000 €
ROI e Payback Period
Con questi dati diventa semplice calcolare anche il ROI e il Payback Period. Considerando che il risparmio energetico annuo è di minimo 14.800 €, possiamo calcolare:
Payback Period = ΔCAPEX / Risparmio Annuo
Mentre possiamo anche calcolare il ROI che misura la redditività dell’extra investimento su un orizzonte temporale, in questo caso consideriamo 5 anni.
ROI5 anni = ((Risparmio in 5 anni – ΔCAPEX) / ΔCAPEX) × 100
CONCLUSIONE
Il trasporto pneumatico rimane una tecnologia eccellente, soprattutto in determinate condizioni; tuttavia, esiste un’alternativa che non va sottovalutata ma va, quantomeno, presa in considerazione quando si programma di fare un investimento per efficientare la movimentazione dei materiali sfusi in un’azienda.
HiWay progetta, realizza e installa impianti meccanici da oltre 65 anni e dispone anche di una sala prove nella quale vengono verificati la trasportabilità del prodotto, la portata, il comportamento in linea e l’integrità del materiale dopo il trasporto. Per avere più info compila il modulo o contattaci su info@hiway.it.
Note metodologiche e parametri di calcolo
I calcoli riportati hanno finalità esclusivamente esemplificative e forniscono stime indicative. I valori utilizzati nell’esempio sono ipotesi illustrative e non costituiscono il dimensionamento di un impianto reale. I risultati possono variare in funzione delle caratteristiche dell’impianto, del materiale trasportato, delle condizioni operative e dei parametri di processo.
1. La fonte per il Trasporto Pneumatico (Fase Diluita)
- La formula della potenza assorbita dalla soffiante e il dimensionamento dell’esempio (1200 m³/h a 780 mbar) provengono dalla progettazione fluidodinamica standard.
- Pneumatic Conveying Design Guide di David Mills (Ed. Butterworth-Heinemann). È il testo di riferimento usato per il calcolo delle perdite di carico e dei consumi nei sistemi pneumatici.
- Movimentazione dei materiali solidi sfusi o i manuali di Impianti Meccanici (es. il “Manuale dell’Ingegnere Meccanico” o i testi del Prof. Sergio Farioli).
- Verifica empirica immediata (Cataloghi Costruttori): Cataloghi tecnici di produttori di soffianti a lobi (es. Robuschi serie Robox, Aerzen serie Delta Blower o Kaeser). Nel punto di lavoro a circa 750-800 mbar di pressione, la portata d’aria erogata è esattamente nell’ordine dei 1100-1200 m³/h.
2. La fonte per la Fase Densa e l’Aria Compressa
- Il calcolo della fase densa si basa sul consumo di aria compressa ad alta pressione. Dire che un compressore industriale consuma circa 0,11 kWh per produrre un metro cubo d’aria è un dato standardizzato.
- L’ente di certificazione: Il CAGI (Compressed Air and Gas Institute). È l’organismo internazionale che definisce gli standard di efficienza per i compressori d’aria.
- I dati dei costruttori di compressori: In una scheda tecnica (“CAGI Data Sheet”) di un qualsiasi compressore a vite Atlas Copco, Ingersoll Rand o Kaeser, si noterà che l’efficienza specifica (Specific Energy Consumption) è indicata chiaramente. Il valore oscilla tra 6 kW e 7,5 kW per ogni m³/min di aria resa a 7 bar.
Conversione:
6,6 kW / 1 m³/min = 6,6 kW / 60 m³/h = 0,11 kWh/m³
Il numero 0,11 usato è il benchmark dell’efficienza pneumatica industriale.
