ABB punta ai mercati del GNL e della compressione del gas con una tecnologia di motori sincroni ad altissima efficienza.

Secondo ABB, i progressi nella progettazione di motori di grandi dimensioni possono ridurre i costi operativi, diminuire le emissioni e migliorare la competitività per il GNL, la lavorazione del gas e altri settori ad alta intensità energetica. (Immagine: ABB)

Il boom globale del GNL ha focalizzato l'attenzione su impianti di liquefazione, compressori, turbine e infrastrutture di esportazione, ma ABB ritiene che una delle maggiori opportunità per migliorare l'efficienza del settore risieda in un componente meno visibile: il motore elettrico.

Durante un recente evento stampa presso il grande stabilimento di produzione di motori e generatori di ABB a Västerås, in Svezia, Johan Karlsson, vicepresidente per la strategia e lo sviluppo commerciale delle macchine sincrone, ha illustrato come i progressi nella tecnologia dei motori sincroni ad alta velocità stiano spingendo i livelli di efficienza oltre il 99% e creando nuove opportunità per il GNL, la lavorazione del gas e altri settori ad alta intensità energetica. Karlsson era affiancato da Gunnar Porsby, responsabile R&D per le macchine sincrone ad alta velocità, che ha descritto nel dettaglio le innovazioni tecniche alla base dei miglioramenti in termini di efficienza, mentre David Bjerhag, responsabile globale della linea di business per motori sincroni ad alta velocità, generatori e condensatori all'interno della divisione High Power di ABB Motion, ha discusso dell'adozione sul mercato e delle opportunità commerciali.

Karlsson, che ha trascorso gran parte della sua carriera in ruoli commerciali e dirigenziali all'interno della divisione macchine elettriche di ABB, ha affermato che l'azienda sta assistendo a una crescente domanda di grandi macchine sincrone, trainata dall'elettrificazione, dallo sviluppo delle infrastrutture per il GNL, dall'integrazione delle energie rinnovabili e dal crescente fabbisogno energetico industriale. Lo stabilimento di Västerås, che ha recentemente festeggiato i 50 anni nella sua sede attuale, produce motori sincroni ad alta velocità utilizzati principalmente nelle applicazioni di compressione, nonché generatori e condensatori sincroni impiegati nei progetti di stabilizzazione della rete. Attualmente ABB produce circa una grande macchina al giorno, con alcune unità che raggiungono un peso di 80-90 tonnellate.

Un motore da record mondiale

Al centro della strategia di efficienza di ABB c'è un motore sincrono da 56 MW, consegnato di recente e destinato a un'unità di separazione dell'aria in un impianto siderurgico in India.

Karlsson ha sottolineato come la macchina abbia stabilito un record mondiale, raggiungendo un indice di efficienza del 99,13%. Secondo ABB, un motore di grandi dimensioni comparabile raggiunge in genere un'efficienza di circa il 98,64%, il che rende il miglioramento apparentemente modesto sulla carta, ma estremamente significativo nel funzionamento reale.

Poiché i grandi motori industriali spesso funzionano ininterrottamente per decenni, anche piccoli miglioramenti in termini di efficienza possono tradursi in risparmi considerevoli. Karlsson ha affermato che il cliente dovrebbe risparmiare circa 6 milioni di dollari in costi di elettricità durante la vita operativa prevista della macchina, pari a 25 anni. ABB stima che la riduzione delle perdite sia equivalente al consumo annuo di elettricità di circa 500 famiglie svedesi.

Per settori come quello del GNL, della lavorazione del gas, della separazione dell'aria e della petrolchimica, dove l'elettricità rappresenta una voce di spesa operativa importante, tali risparmi possono avere un impatto significativo sull'economia del ciclo di vita.

Perché il GNL è importante

Karlsson ha osservato che il GNL è diventato un mercato sempre più importante per i grandi motori sincroni di ABB, in quanto i modelli di commercio globale del gas si evolvono e la domanda di capacità di liquefazione continua a crescere. Le macchine sincrone ad alta velocità dell'azienda sono utilizzate principalmente nelle applicazioni di compressione, il che rende gli impianti GNL un ambiente ideale per questa tecnologia.

In un'intervista separata, Bjerhag ha approfondito questo tema, identificando il GNL come uno dei mercati più promettenti per la tecnologia dei motori ad alta efficienza.

Secondo Bjerhag, ABB ha collaborato a stretto contatto con i produttori di compressori e turbine per incentivare l'adozione di pacchetti di apparecchiature ad alta efficienza. Tuttavia, ha affermato che una diffusione più ampia dipende spesso dal fatto che gli utenti finali richiedano esplicitamente l'ottimizzazione dell'efficienza durante il processo di approvvigionamento.

"Se il cliente finale non specifica l'efficienza, vinciamo sul prezzo, sulla correttezza o su qualcos'altro", ha affermato Bjerhag, spiegando che molti fornitori di apparecchiature continuano a concentrarsi sui criteri di approvvigionamento tradizionali a meno che i clienti non richiedano alternative.

Per affrontare questa sfida, ABB ha incoraggiato i partner OEM a offrire alternative ad alta efficienza accanto ai pacchetti di apparecchiature convenzionali, consentendo agli operatori di confrontare i costi operativi del ciclo di vita e i risparmi energetici con i costi di investimento incrementali.

Bjerhag ha riconosciuto che molti sviluppatori di GNL rimangono concentrati sulla rapida messa in funzione dei progetti. In diversi casi, ha affermato, i proprietari dei progetti hanno rifiutato l'opportunità di adottare apparecchiature più efficienti perché non erano disposti a rischiare ritardi una volta finalizzate le decisioni di approvvigionamento.

"Se cambiate idea ora, introducete un rischio per il mio progetto", ha ricordato che gli disse uno sviluppatore di GNL. "Se perdo una settimana, questo significa ripagare il motore dieci volte."

Tuttavia, Bjerhag ritiene che l'efficienza diventerà sempre più importante con la maturazione del mercato del GNL.

"Se il mercato del GNL non è in piena espansione e il vostro processo ha un'efficienza superiore dell'1% rispetto a quello dei vostri concorrenti, vorrei essere in quella posizione", ha affermato.

La tecnologia alla base dei guadagni

Mentre Karlsson si è concentrato sulle implicazioni di mercato dell'efficienza, Porsby ha fornito una spiegazione dettagliata della tecnologia che rende possibili tali vantaggi.

Porsby, che ha iniziato la sua carriera lavorando con grandi motori diesel prima di passare alle macchine elettriche alla fine degli anni '90, guida le attività globali di ricerca e sviluppo di ABB per le macchine sincrone ad alta velocità. Ha spiegato che i vantaggi in termini di efficienza di ABB derivano in gran parte dai vantaggi intrinseci della tecnologia dei motori sincroni.

A differenza dei motori a induzione convenzionali, che funzionano con un piccolo slittamento tra il rotore e il campo magnetico rotante, i motori sincroni mantengono una sincronizzazione precisa con la frequenza elettrica. L'eliminazione dello slittamento riduce le perdite di energia e migliora l'efficienza complessiva.

I motori ABB utilizzano elettromagneti sul rotore anziché magneti permanenti. Controllando la corrente di eccitazione, gli operatori possono non solo mantenere la sincronizzazione, ma anche fornire supporto di potenza reattiva, contribuendo a migliorare la qualità dell'energia all'interno degli impianti industriali.

Secondo Porsby, gli ingegneri di ABB si concentrano sulla riduzione di cinque categorie principali di perdite: perdite di rame nello statore, perdite magnetiche, perdite meccaniche, perdite di eccitazione e perdite dovute a carichi parassite. Poiché nessuna singola categoria è completamente dominante, il miglioramento dell'efficienza richiede progressi graduali in molteplici aspetti della progettazione della macchina.

Per raggiungere tali miglioramenti, ABB combina strumenti avanzati di modellazione elettromagnetica, test approfonditi in fabbrica e dati operativi provenienti da circa 3.000 macchine installate in tutto il mondo. Porsby ha affermato che l'intelligenza artificiale e le tecniche di apprendimento automatico vengono sempre più integrate nel processo di progettazione di ABB per aiutare gli ingegneri a individuare nuove opportunità di miglioramento dell'efficienza.

È importante sottolineare che l'approccio di ABB non si basa su materiali esotici o tecnologie non collaudate. Al contrario, l'azienda continua a utilizzare materiali consolidati come i conduttori in rame e l'acciaio elettrico, perfezionando al contempo la progettazione delle macchine e le tecniche di produzione. Porsby ha sottolineato che l'affidabilità rimane importante quanto l'efficienza, poiché queste macchine spesso rappresentano risorse critiche all'interno degli impianti industriali.

Opportunità in crescita

Bjerhag ha affermato che ABB vede opportunità particolarmente promettenti negli Stati Uniti, dove lo sviluppo del GNL, la costruzione di data center e le più ampie tendenze all'elettrificazione stanno alimentando la domanda di grandi macchine elettriche.

"Gli Stati Uniti rappresentano ora un mercato in fortissima espansione per tutti, grazie ai data center, al GNL, ecc.", ha affermato.

Sebbene i progetti di cattura del carbonio abbiano attirato notevole attenzione negli ultimi anni, Bjerhag ha suggerito che il GNL, i data center e lo stoccaggio di energia rappresentano attualmente opportunità di crescita più promettenti nel breve termine.

Per gli operatori di impianti GNL, impianti di trattamento del gas e stazioni di compressione, il messaggio di ABB è chiaro: anche le frazioni di punto percentuale contano. Nell'arco della vita utile di un importante impianto industriale, piccoli miglioramenti nell'efficienza dei motori possono tradursi in milioni di dollari di risparmi, minori esigenze di raffreddamento, emissioni più basse e una posizione competitiva più solida.

Come hanno sottolineato Karlsson, Porsby e Bjerhag da prospettive diverse (strategia, ingegneria e commercializzazione), il futuro dell'efficienza industriale potrebbe dipendere meno da scoperte rivoluzionarie e più dall'eliminazione graduale di ogni possibile watt di perdita.

Secondo ABB, l'industria petrolifera e del gas sta lasciando sul tavolo opportunità di miglioramento dell'efficienza.

Una recente analisi di ABB suggerisce che l'industria petrolifera e del gas potrebbe perdere una delle maggiori opportunità per ridurre i costi operativi e le emissioni: specificare motori e generatori ad alta efficienza già in fase di sviluppo del progetto.

In un rapporto intitolato "The Industrial Efficiency Gap" (Il divario di efficienza industriale), ABB ha esaminato oltre 1.000 motori e generatori di grandi dimensioni consegnati dal suo stabilimento di Västerås, in Svezia, tra il 2015 e il 2025. Lo studio ha rilevato che, sebbene esistano già tecnologie in grado di migliorare l'efficienza, la loro adozione varia notevolmente tra i diversi settori a causa delle differenze nelle pratiche di acquisto e nelle strutture proprietarie.

Secondo ABB, i motori di grandi dimensioni con potenza superiore a 375 kW rappresentano circa il 10,4% del consumo globale di elettricità, e si prevede che la domanda raddoppierà entro il 2040. L'azienda sostiene che anche modesti miglioramenti in termini di efficienza possono generare significativi vantaggi economici e ambientali nel corso della tipica vita utile di 25 anni di un motore di grandi dimensioni.

Il rapporto si concentra sul programma Top Industrial Efficiency (TIE) di ABB, che in genere migliora l'efficienza delle grandi macchine sincrone di circa 0,2 punti percentuali, portandola da circa il 98,5% a un valore compreso tra il 98,7% e il 98,8%. Sebbene tale miglioramento possa sembrare modesto, ABB stima che possa ripagarsi da solo entro sei mesi o tre anni e generare decenni di ulteriori risparmi operativi.

Uno dei risultati più significativi del rapporto è il contrasto tra l'industria della separazione dell'aria e il settore petrolifero e del gas.

Secondo ABB, le aziende di separazione dell'aria sono tra le maggiori adottanti della tecnologia dei motori ad alta efficienza, poiché in genere sono le stesse aziende che costruiscono, possiedono e gestiscono i propri impianti. Dato che queste aziende pagano le bollette dell'energia elettrica per tutta la durata di vita dell'impianto, tendono a concentrarsi sul costo totale di proprietà piuttosto che sulla semplice minimizzazione delle spese iniziali. I progetti di separazione dell'aria hanno registrato i livelli medi di efficienza più elevati nello studio di ABB, con l'85% dei progetti che incorpora macchine progettate da TIE.

I progetti relativi al petrolio e al gas hanno mostrato un andamento nettamente diverso.

ABB attribuisce il basso tasso di adozione principalmente alla struttura frammentata degli acquisti del settore, che spesso coinvolge molteplici soggetti interessati, dagli utenti finali e dagli appaltatori EPC ai produttori di compressori e ai fornitori di motori. Di conseguenza, le organizzazioni che selezionano le apparecchiature sono spesso distanti da quelle che in definitiva ne sostengono i costi operativi.

"L'efficienza energetica diventa una considerazione secondaria, a meno che non sia esplicitamente obbligatoria", afferma il rapporto. ABB stima che solo circa il 10% dei progetti petroliferi e del gas presenti nel suo set di dati abbia utilizzato apparecchiature progettate da TIE.

L'azienda stima che una maggiore adozione di progetti ad alta efficienza nelle applicazioni petrolifere e del gas potrebbe far risparmiare circa 2,5 TWh di elettricità ed evitare 1,32 milioni di tonnellate di emissioni di anidride carbonica nell'intera base installata rappresentata nello studio.

David Bjerhag, responsabile globale della linea di business di ABB per motori sincroni ad alta velocità, generatori e condensatori, sostiene che il problema non sia di natura tecnologica, bensì organizzativa.

"L'industria ha dedicato decenni all'ottimizzazione di ciò che accade all'interno di un impianto. Eppure, i motori e i generatori di grandi dimensioni sono stati raramente oggetto di questa discussione", ha affermato Bjerhag nel rapporto. "I nostri dati dimostrano che il divario tra una macchina standard e una ottimizzata secondo gli standard TIE non è di natura tecnologica, bensì di tipo specifico."

La raccomandazione di ABB è semplice: richiedere valutazioni di efficienza in fase di approvvigionamento, eseguire analisi dei costi del ciclo di vita insieme a confronti dei costi di capitale e incoraggiare una collaborazione più stretta tra utenti finali, EPC e OEM durante il processo di specifica.

Per gli impianti GNL, gli impianti di trattamento del gas e le stazioni di compressione che si prevede funzioneranno ininterrottamente per decenni, ABB sostiene che un piccolo aumento di efficienza al momento dell'acquisto può tradursi in milioni di dollari di costi energetici evitati durante l'intera vita utile dell'impianto.