Anno formativo 2007/2008

Concorso Energiaingioco 2008

Centro Formazione Professionale Salesiani Don Bosco di Schio

A cura della classe 3EE seguita dai professori Dal Santo Manuel e Gottardo Marco.

Promotore del progetto ing. Luigi Coffele direttore dell'istituto dei salesiani di Schio (VI)

INDICE IPERTESTUALE

• IL LED: UNA NUOVA LUCE

• PRESTASTAZIONI VISIVE E SICUREZZA

• ANALISI ECONOMICA ED ENERGETICA: USO DELLE LAMPADE A LED NEL COMUNE DI SCHIO (VI).

• ESEMPIO REALISTICO DI RISPARMIO ENERGETICO IN UN INCROCIO

• VALUTAZIONE DEI COSTI ENERGETICI E DI GESTIONE

• INDICI PER LA VALUTAZIONE ECONOMICA DELL’INVESTIMENTO

o        TEMPO DI RECUPERO

o        IL VALORE ATTUALE NETTO (VAN)

o        IL TASSO INTERNO DI RENDIMENTO O REDDITIVITA’ (T.I.R.)

• ANALISI ECONOMICA

o        Calcolo  I.P.

o        Calcolo  V.A.N.

o        Calcolo  T.I.R.

• CONCLUSIONI

• MODELLINO DI APPLICAZIONE DEI SEMAFORI A LED.

• Foto gallery

IL LED: UNA NUOVA LUCE

I LED fino a qualche anno fa erano utilizzati esclusivamente in applicazioni di elettronica, come l’indicazione dell’accensione e dello spegnimento di alcuni dispositivi.

Gli studi che si sono sviluppati sui LED, soprattutto negli ultimi anni, hanno permesso di ottenere ottimi risultati nel campo dell’illuminazione. La luce emessa da questi particolari diodi può essere utilizzata sia per illuminare oggetti specifici che grandi ambienti.

L’innovazione tecnologica ha messo a disposizione delle nuove lampade semaforiche a LED. Queste lampade in alcuni stati (Canada e Stati Uniti) sono già diffuse in quanto permettono di ottenere un risparmio energetico.

In Italia esistono due soluzioni per adottare queste lampade semaforiche:

·         Lanterne speciali già progettate per lampade a LED.

·         Lampade a LED con il classico attacco E27. Questa soluzione permette di sostituire le  lampade ad incandescenza degli attuali semafori con queste a LED.

Figura 1.1: semaforo a led

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PRESTASTAZIONI VISIVE E SICUREZZA

La segnaletica stradale è sottoposta a condizioni ambientali particolari: le vibrazioni dovute ai passaggio dei veicoli determina una riduzione della vita delle classiche lampade ad incandescenza. [C]

Per questo motivo tali lampade utilizzano un filamento più corto e di sezione maggiore  a scapito però di una efficienza luminosa ridotta del 30-40%. Il colore della luce semaforica è determinato da una lente di materiale plastico o di vetro colorato, e dato che le lampade tradizionali emettono luci a 360°, si utilizza una parabola che permette la riflessione della luce che andrebbe perduta. Nella riflessione e nella rifrazione sul filtro si perde circa il 60% della radiazione del filamento.

Nelle lampade e LED invece non si hanno tali perdite in quanto la luce emessa è unidirezionale e il colore dipende dai led utilizzati, permettendo così di impiegare una lente trasparente. Si ottiene in questo modo una visibilità della lanterna a distanza superiore rispetto alle normali lampade a incandescenza.

Come si può notare dalla figura 1.2  nelle tradizionali lampade la luce semaforica è visibile da una distanza maggiore garantendo in tal modo una sicurezza stradale superiore.

Figura 1.2: differenza di illuminazione tra i due tipi di semafori

Altro fenomeno inconveniente dei semafori tradizionali è il “phanton effect”, che si verifica quando il sole si trova basso sull’orizzonte e che può essere evitato con l’uso dei semafori a LED. Infatti i raggi solari quando colpiscono la lanterna semaforica possono essere riflessi dalla parabola all’interno della stessa, impedendo di capire quale semaforo è effettivamente acceso. Vista la configurazione dei semafori a LED il fenomeno “phanton effect” non esiste.

Figura 1.3: esecuzione su cad della spiegazione dell’effetto “phanton effect” 

Figura 1.4: “phanton effect”

Differenza tra una lampada ad incandescenza e una lampada a LED:

·         DURATA:        I LED hanno una durata circa 10 volte maggiore di una lampada ad incandescenza, circa 100.000 ore rispetto alle 1.500/5.000 ore.

·         MANUTENZIONE: Le lampade a LED sono costituite da numerosi singoli LED, e se anche uno di loro si danneggia non viene compromessa la regolarità di funzionamento della singola lampada.

·         CONSUMO: A parità di luce emessa il risparmio energetico rispetto a una lampada ad incandescenza può arrivare fino all’80% di energia.

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ANALISI ECONOMICA ED ENERGETICA: USO DELLE LAMPADE A LED NEL COMUNE DI SCHIO (VI).

Dopo aver letto il titolo del concorso energia in gioco nei ragazzi della classe 1 EE è nata subito l’idea di poter metter in pratica quanto studia fino ad ora nelle varie lezioni di laboratorio elettrico. Si è immediatamente pensato che si può illuminare la propria città attraverso un risparmio energetico con l’uso dei LED.

Si sono presi in considerazione i semafori presenti nel comune di Schio ipotizzando la loro sostituzione con quelli a LED, ottenendo così un notevole risparmio energetico ed economico. Le lanterne dei semafori presenti sono composte da:

·     Due moduli di diametro 200mm con lampade da 70W

·     Un modulo di diametro 300mm con lampada da 100W

Nell’elenco sotto riportato non vengono indicati i semafori a led che già esistono nel territorio comunale, come ad esempio le ultime installazioni che riguardano i limitatori di velocità.

Si sono contati circa 100 lanterne semaforiche nel comune di Schio. Ovviamente il conteggio la determinazione esatta del numero di semafori non è stata fatta in quanto esula dallo scopo di questo studio che vuole dimostrare la convenienza economica ed energetica dell’utilizzo dei led.

Si è ipotizzato di utilizzare lampade della ditta Epsylon Electronic System che presentano le seguenti caratteristiche:

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ESEMPIO REALISTICO DI RISPARMIO ENERGETICO IN UN INCROCIO

Si è considerato un tipico impianto semaforico a X per valutare la convenienza energetica tra l’utilizzo di un semaforo tradizionale o un semaforo a LED.

Figura 1.5: incrocio visto da via Marin Sanudo

Il semaforo in esame è presente all’incrocio tra via santissima trinità, via Alessandro Fleming e via Marin Sanudo figura 1.5-1.6.

Per il traffico veicolare vi sono 8 lanterne (4 nella via Santissima Trinità e altri 4 nelle vie A.Fleming e via M. Sanudo). Si è considerato l’uso del semaforo nelle 24 ore e più precisamente semaforo funzionante dalle 6:00 alle 23:00 e lampeggiante nelle ore restanti. Nelle ipotesi cautelative si è considerato l’accensione di ogni singola lampada per il seguente numero di ore:

·         Lampade verdi: (23-6)/3 ore

·         Lampade rosse: (23-6)/3 ore

·         Lampade gialle: (23-6)/3+7/2 ore

Figura 1.6: incrocio visto da via Santissima Trinità

Si è calcolato il risparmio energetico indicato con lampade a LED  Epsylon Electronic o con lanterne a LED della azienda la Semaforica nella tabella sottostante.

Come si può notare dal grafico 1.1 è evidente il risparmio energetico.

Grafico 1.1: consumi energetici nei 3 casi ipotizzati

Risulta quindi di fondamentale importanza verificare se a questo al risparmio energetico risulta un corrispondente risparmio economico.

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VALUTAZIONE DEI COSTI ENERGETICI E DI GESTIONE

Il responsabile dell’illuminazione pubblica del comune di Schio, perito Luciano Lanaro, ci ha concesso gentilmente alcuni dati essenziali per lo sviluppo di questa analisi. Da questi dati si è ricavato che il comune paga l’energia elettrica circa 12,7 centensimi di euro/kWh.

Inoltre si è riscontrato che il Comune annualmente sostiene una spesa per la manutenzione ordinaria pari a 13.000 euro per gli operai impiegati in tale lavoro. La spesa non comprende il costo delle lampade ad incandescenza che si devono sostituire.  

Per valutare la convenienza economica abbiamo utilizzato alcuni indici:

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INDICI PER LA VALUTAZIONE ECONOMICA DELL’INVESTIMENTO

Dopo avere evidenziato sia le uscite e i rispettivi risparmi monetari derivanti dalla sostituzione dei semafori è doveroso utilizzare dei criteri economici che possano essere utili nel decidere se accettare o meno la proposta di investimento. Esistono a tale scopo una moltitudine di criteri economici i quali però possono essere suddivisi in due grandi categorie:[B]

1)      I metodi aritmetici

2)      I metodi finanziari o geometrici

I metodi aritmetici hanno la caratteristica di trascurare la valorizzazione del tempo, in quanto gli esborsi e i ricavi vengono considerati senza alcuna elaborazione.

Questo fatto di trascurare il valore del tempo può in alcuni casi essere tranquillamente accettato soprattutto quando la vita utile di un progetto si aggira intorno a qualche anno. Il metodo aritmetico più utilizzato è il tempo di recupero (pay-back time).

I metodi geometrici o finanziari invece valorizzano il tempo anche nel metodo di calcolo, omogeneizzando le varie somme di uscite o entrate al momento in cui queste avvengono. A questa categoria di metodi appartengono il VAN (valore attuale netto) e il TIR (tasso interno di redditività o rendimento)

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TEMPO DI RECUPERO

Il tempo di recupero che si indica con l’abbreviazione PB= pay-back è definito come il tempo in cui la disponibilità di cassa genera esattamente l’investimento netto che l’ha resa possibile.

In termine di equazione si può scrivere:

dove:

Ii = investimento i-esimo.

Di = disponibilità  i-esima.

PB = è l’incognita da trovare.

Nel caso in cui l’investimento Io sia concentrato tutto nel momento iniziale, come avviene nel nostro caso con la sostituzione dei semofori, e che le entrate annue derivanti da l’esborso siano costanti allora la formula precedente si semplifica:

Dove:

D = disponibilità annua.

Perché l’investimento sia accettato occorre che il tempo di recupero sia ovviamente inferiore al tempo di vita utile dell’investimento.

Normalmente ogni impresa impone una soglia per questo tempo di recupero che al massimo potrà essere nel caso energetico di alcuni anni.

I vantaggi di tale metodo sono:

• semplicità del calcolo ed efficacia: facile da comprendere e utilizzare.
• utile come strumento di valutazione e selezione di massima di progetti.
• efficace in presenza di incertezza nei flussi di cassa temporalmente più distanti (early vs late cash flows).
• efficace come incentivo alla generazione dei flussi di cassa, nei casi in cui ciò è importante.
• utile nelle situazioni in cui l’analisi dettagliata degli altri metodi non è necessaria (es decisioni di manutenzione).
• particolarmente adatto ai contesti in cui il rapido cambiamento tecnologico richiede un rapido recupero degli investimenti effettuati.

I principali svantaggi sono:

• non considera il valore temporale del denaro (time value of money).
• tende a ignorare i flussi di cassa oltre il cut-off  period, una volta che l’investimento iniziale è recuperato.
• Presenta la tendenza a rifiutare i progetti di lungo periodo, anche se presentano VAN positivi.
• La tecnica è difficile da applicarsi se le spese di investimento avvengono in più di un periodo, oppure se ci sono grandi spese nelle fasi conclusive della vita di progetto.

Anche se tale indice potrebbe sembrare non corretto dal punto di vista della valorizzazione del tempo è molto apprezzato in ambito industriale grazie alla sua semplicità.

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IL VALORE ATTUALE NETTO (VAN)

Il valore attuale netto è un metodo finanziario o geometrico che quindi valorizza gli esborsi e i ricavi al momento in cui si verificano. Il V.A.N. di ogni investimento, sia esso tecnico o finanziario, è pari al valore attuale di tutti i flussi di cassa in entrata/uscita ad esso relativi. Tuttavia il tasso di attualizzazione da utilizzarsi è fonte di numerosi problemi.

Il tasso di attualizzazione coincide con il tasso di rendimento soglia per l’accettazione di un investimento.

Tale tasso è un qualcosa di soggettivo in quanto strettamente legato al senso che il soggetto ha nei confronti del rischio dell’investimento.

Per avere una soluzione di tale problema si fa uso del costo medio del capitale, il quale in ogni caso deve presentare un tasso superiore al tasso di rendimento di una qualsiasi attività priva di rischio di durata pari (per esempio BOT dello stato). Si deve tener presente infatti il premio al rischio insito in ogni attività di impresa.

Possiamo quindi definire il V.A.N. come la differenza attualizzata ad un istante qualsiasi degli esborsi e dei ricavi:

dove:

a = tasso di attualizzazione utilizzato.

La logica di utilizzo di tale indice di indicazione prevede che l’investimento sia da prendere in considerazione ogni volta che risulta positivo per l’orizzonte temporale analizzato. Quando si abbiano due alternative di investimento sarà da preferire quella che presenta un valore di V.A.N. più elevato. Nel caso in cui il V.A.N. risulti nullo si raggiunge univocamente il pareggio, senza altri vantaggi economici.

L’investitore in questo caso sa che il periodo temporale analizzato è esattamente pari al  tempo di rientro del capitale investito al tasso di interesse utilizzato.

Il valore del V.A.N. è un dato in se poco significativo, in quanto è opportuno conoscere l’entità dell’investimento fatto per raggiungere quel valore di indice. Infatti non avrebbe senso andare a confrontare due valori di V.A.N. per due operazioni che richiedono capitali di investimento molto diversi.

Per questo motivo è nato l’indice di profittabilità, che è dato dal rapporto del V.A.N. sull’investimento:

Anche in questo caso l’investimento è proficuo se l’indice (P.I.) è positivo.

Se un’azienda possiede un portafoglio di progetti tutti con V.A.N. positivo, ma ha una limitata disponibilità di capitale, l’indice di profittabilità permette di classificare i progetti , indicando l’ordine di scelta per l’impresa.

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IL TASSO INTERNO DI RENDIMENTO O REDDITIVITA’ (T.I.R.)

Un altro metodo finanziario o geometrico è il tasso interno di redditività (T.I.R.). Questo metodo attribuisce un valore diverso a seconda dell’istante in cui gli esborsi o i ricavi si verificano. Il tasso di sconto del flusso di cassa viene ad essere calcolato proprio con questo metodo. Tale tasso rende uguali fra loro il valore attuale dei flussi di cassa in entrata e il valore attuale dei flussi in uscita in base alle date alle quali si verificano le medesime entrate ed uscite. Ponendo uguale a zero la sommatoria dei flussi attualizzati si ottiene il T.I.R., come si può vedere nella formula seguente:

Per risolvere questa equazione si devono utilizzare dei metodi di iterazione. Alcuni programmi di calcolo comunemente usati trovano direttamente l’incognita che è il T.I.R.. Il tasso interno di rendimento può essere definito come quel tasso che permette di uguagliare i costi e i ricavi di un determinato investimento tenendo conto del tempo nel quale si verificano. Se il T.I.R. supera il costo del capitale il progetto può essere accettato: nel caso di alternative di finanziamento si dovrebbe scegliere il progetto con T.I.R. più elevato. Qualora il T.I.R. risultasse soddisfacente solo dopo un lasso di tempo eccessivamente lungo rispetto alla vita media economica dell’investimento stesso, tale scelta non si dovrebbe attuare.

Valore attuale netto e tasso interno di redditività sono tra loro legati, infatti nel punto dove il V.A.N. è zero il T.I.R. è uguale al tasso di sconto utilizzato. Un termine importante nella valutazione del T.I.R. è il tempo, infatti a seconda del progetto che si sta analizzando si avrà un determinato tempo da considerare. Se per esempio stiamo studiando un investimento riguardante le opere civili di una costruzione il numero di anni da considerare saranno sull’ordine delle decine. Se invece si tratta di un investimento riguardante beni non durevoli il tempo da considerare sarà molto più limitato. Il grafico di figura 1.7 rappresenta un esempio di andamento del V.A.N. .in funzione del tasso di interesse di un unico  investimento iniziale di 10.000 euro con dei flussi di cassa costanti per 6 anni di 3.000 euro. Tale andamento è tipico delle situazioni in cui vi è un investimento iniziale e successivamente dei flussi di cassa positivi.

Figura 1.7 rappresentazione del tir nel caso di flussi positivi

Nei casi in cui gli investimenti sono caratterizzati da un unico cambio di segno nei flussi di cassa, come avviene nel nostro caso, è ammesso un solo valore di T.I.R. come nella figura precedente. Dove invece si verifica più di un cambio di segno è possibile che vi sia più di un tasso che annulla il V.A.N. (regola del segno di Descartes o Cartesio). Un esempio in cui si ha più di un valore di T.I.R. è rappresentato in figura 1.8 in cui l’investimento iniziale è di 4500 euro e i flussi di cassa ammontano a 6000 euro per i primi due anni mentre per il terzo si ha una spesa di 8000 euro (cioè un flusso di cassa negativo). Si nota come la spesa del terzo anno incide sul valore attuale netto in funzione del tasso. Nel caso quindi si abbia un andamento ad U del V.A.N. le decisioni di investimento prese secondo la regola del T.I.R. e del V.A.N. possono trovarsi in conflitto.

In questi casi è consigliato utilizzare il metodo del V.A.N.. Si tratta di casi particolari in cui si hanno dei flussi di cassa positivi e più di un flusso di cassa negativo.

Fig 1.8 rappresentazione del tir nel caso di flussi positivi e negativi

In conclusione in generale la scelta tra il metodo di V.A.N. o T.I.R. è riconducibile in molti casi alle preferenze personali dell’analista. Nei casi in cui però il tasso di attualizzazione non sia costante lungo il periodo di vita del progetto oppure la struttura dei flussi di cassa non è convenzionale, si raccomanda l’utilizzo del V.A.N

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ANALISI ECONOMICA

Eseguiamo a questo punto l’analisi economica della possibile sostituzione delle luci tradizionali del semaforo situato nell’incrocio tra via santissima trinità, via Alessandro Fleming e via Marin Sanudo  utilizzando gli indici citati sopra.

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Calcolo  I.P.

L’utilizzo delle lampade a led comporta una minor manutenzione quantizzabile in 1/6 della manutenzione ordinaria. Si ipotizza inoltre un esborso minore annuo dovuto al fatto che le lampade a led hanno una durata nettamente maggiore di una tradizionale lampade ad incandescenza, quantificabile in circa

Nel nostro caso si avrà:

Io = investimento iniziale dipende dai due casi:

1.   Sostituzione lampade

2.   Sostituzione lanterne

Di = la disponibilità annuale dipende dai due casi:

1.    Sostituzione lampade

2.   Sostituzione lanterne

La disponibilità annuale inoltre dipende dal risparmio economico derivante dal minor assorbimento energetico e dai minori costi di manutenzione.

Nel caso del comune di Schio la minor manutenzione è quantificabile in circa 1.000 euro per incrocio. Aggiungendo inoltre il costo delle lampade ad incandescenza che circa ogni 5.000 ore devono essere sostituite si può  ipotizzare un costo cautelativo totale di manutenzione di circa 1.500 per incrocio.

Nel nostro caso specifico si avrà quindi:

In entrambi i casi si può notare come l’investimento sia remunerativo in quanto in meno di due anni viene ripagato dai risparmi economici ottenuti.

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Calcolo  V.A.N.

Dopo il calcolo del P.B. è opportuno procedere con il calcolo del V.A.N per poter dare un tasso di attualizzazione dell’investimento e del ritorno economico.

Se il V.A.N. risulta positivo significa che il nostro progetto può essere accettato.

Il numero di anni considerati è stato di n=4. Si tratta di un tempo più che accettabile visto che si tratta di un investimento di tipo energetico.

Nel nostro caso specifico si avrà, nei due casi, utilizzando un tasso del 10%:

1)      

2)     Sostituzione lanterne: VAN = 3731

In entrambi i casi mi ritrovo un VAN nettamente maggiore di zero.

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Calcolo  T.I.R.

Utilizzando excel si trova la funzione T.I.R. già impostata. Con tale funzione otteniamo sempre,  nell’ipotesi di considerare l’investimento in 4 anni, si trova per il caso in considerazione:

1)      

2)     Sostituzione lanterne: T.I.R = 40%

I risultati ottenuti indicano che l’investimento è remunerativo con un ottimo tasso di interesse.

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CONCLUSIONI

Dall’analisi svolta si può sottolineare che nel caso di sostituzione dei semafori presenti nell’incrocio tra via santissima trinità, via Alessandro Fleming e via Marin Sanudo  la convenienza economica ed energetica è evidente.

Tale approccio può essere allargato a tutto il territorio comunale di Schio con notevoli vantaggi economici. Si ricorda comunque che risulta  considerevole l’investimento nel suo complesso. Per ovviare a tali inconvenienti potrebbe essere opportuno rivolgersi a una E.S.C.O. .Le ESCO, o società di servizi energetici, sono soggetti specializzati nell'effettuare interventi nel settore dell'efficienza energetica, sollevando in genere il cliente dalla necessità di reperire risorse finanziarie per la realizzazione dei progetti e dal rischio tecnologico, in quanto gestiscono sia la progettazione/costruzione, sia la manutenzione per la durata del contratto.

Per quanto riguarda il canone da versare alla società di servizi sono possibili soluzioni molto varie e legate al caso particolare.

La somma dovuta è compresa fra l'ammontare della bolletta energetica annua ed una sua quota, a seconda della redditività dell'intervento e dell'efficienza precedente l'intervento, del numero di anni di durata del contratto, dal rischio assunto e delle esigenze del soggetto beneficiario. La soluzione più comune è forse quella della ripartizione del risparmio, per cui alla ESCO viene girato un 70-90% della bolletta energetica annua (shared saving). Sono comunque comuni casi in cui alla ESCO tocchi l'intera entità del risparmio conseguito, cui corrisponde il minimo tempo di riscatto dell'impianto da parte del beneficiario (first out), e contratti a garanzia dei risultati, che consistono in una forma di leasing in base alla quale all'utente viene garantito al termine del contratto un'entità dei risparmi pari almeno all'ammontare delle quote versate, comprensive di interessi.[A]

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MODELLINO DI APPLICAZIONE DEI SEMAFORI A LED.

Si è voluto costruire con l’utilizzo dei lego un incrocio semaforico del tutto simile a quello analizzato precedentemente tra via santissima trinità, via Alessandro Fleming e via Marin Sanudo.

Utilizzando due mattoncini opportunamente tagliati si è ottenuto la parte frontale che contiene i 3 led (rosso, giallo , verde) e la parte posteriore di chiusura di figura 1.9.

Figura 1.9: costruzione della lanterna semaforica

Successivamente si sono costruiti i pali di sostegno con dei tubicini di materiale plastico e i marciapiedi della sede stradale stessa come indicato nella figura 1.10.

Ai lati della strada sono state realizzate delle strutture per contenere una scheda elettronica realizzata per la sequenza dell’illuminazione dei semafori.

Figura 1.10: costruzione della sede stradale.

Si è poi passato alla fase di progettazione della scheda elettronica per il funzionamento delle lanterne semaforiche. Si è utilizzato come contatore asincrono il l’integrato 4060 B. Tale integrato permette di avere un contatore con una frequenza variabile, a seconda della combinazione R-C, come indicato nella figura 1.11.

Figura 1.11: formula indicante la variazione della frequenza.

Ad ogni cambiamento del conteggio in binario si è associato lo stato dei led semaforici, come ben si nota dalla tabella sottostante:

L’ultima condizione è detta condizione di resert.

Da queste condizioni appena scritte si utilizzano le mappe di Karnaugh per poter ottenere una semplificazione come si vede dalle tabelle sottostanti:

Da cui deriva immediatamente lo schema di figura 1.12 sottostante:

Figura 1.12: schema elettrico

Attraverso poi il programma Fidocad si è disegnato il PCB ( figura 1.13) per poter successivamente attraverso il processo di fotoincisione realizzare la scheda elettronica.

Figura 1.13 PCB del sistema semaforico.

Quindi dopo aver realizzato la scheda si sono collegate le uscite ai vari led ottenendo l’effetto desiderato. Questo tipo di scheda associata ad una scheda che piloti delle bobine può comandare non solo led ma anche altri carichi.

In questo modello quindi si sono utilizzati come lampade di illuminazione dei led. Si tratta di tre soli  led per ogni lanterna semaforica, ma indicano bene che il sistema è funzionale.

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