Gestione energetica ISO 50001 e dati necessari

ISO 50001 è lo standard internazionale per i sistemi di gestione dell’energia. Descrive la gestione dell’energia come un processo continuo: una politica energetica, un’analisi degli impieghi dell’energia, obiettivi e piani d'azione, quindi misurazioni per dimostrare che le prestazioni energetiche migliorano. L’edizione attuale è la ISO 50001:2018, con un emendamento del 2024 sul cambiamento climatico. La norma ISO 50006:2023 fornisce indicazioni su indicatori e linee di base, mentre la norma ISO 50003:2021 stabilisce le regole per l'audit di certificazione. La componente software, un sistema informativo di gestione dell'energia, è trattata nella guida IEMS.

Questa guida fa parte del percorso di apprendimento sulle prestazioni di edifici e processi.

Perché le organizzazioni lo adottano

L’articolo 11 della rifusione della Direttiva UE sull’efficienza energetica richiede che un’impresa il cui consumo medio annuo di energia nei tre anni precedenti superi 85 TJ (circa 23,6 GWh) disponga di un sistema di gestione dell’energia certificato entro l’11 ottobre 2027. Tra 10 TJ e 85 TJ, un’impresa senza un sistema di gestione dell’energia deve sottoporsi a un audit energetico ogni quattro anni, quindi un sistema di gestione dell’energia prende il posto del ciclo di audit. Nel Regno Unito, una certificazione ISO 50001 che copre il consumo energetico totale o significativo (almeno il 95% del totale) è una via completa per la conformità a ESOS fase 4. Se copre meno, il consumo restante richiede un audit ESOS o un'altra via valida; una combinazione di vie richiede un lead assessor. La guida EED e la guida ESOS forniscono i dettagli.

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti riferisce che le organizzazioni che hanno implementato la norma ISO 50001 originale hanno ottenuto miglioramenti convalidati delle prestazioni energetiche in media del 4,5% all'anno. I siti hanno scelto di aderire a un programma di convalida, quindi la cifra è soggetta a distorsione da autoselezione.

In Irlanda, la sovvenzione EXEED di SEAI finanzia progetti di investimento progettati e gestiti secondo IS 399, lo standard irlandese per la progettazione efficiente dal punto di vista energetico. La norma ISO 50001 punto 8.2 richiede che le prestazioni energetiche siano prese in considerazione nella progettazione di impianti nuovi e rinnovati. Un progetto rilevante per un uso energetico significativo del piano d'azione può qualificarsi per EXEED se è progettato e gestito secondo IS 399.

Il ciclo plan-do-check-act e le clausole

La norma ISO 50001:2018 utilizza la struttura comune delle clausole delle norme sui sistemi di gestione ISO. Utilizzare la tabella come una mappa da ciascuna fase del ciclo alla clausola che un auditor citerà.

La revisione energetica e gli usi significativi dell'energia

L’analisi energetica (punto 6.3) analizza l'uso e il consumo di energia dalla misurazione e da altri dati. Identifica gli usi energetici significativi (SEU): gli usi che rappresentano una parte sostanziale dei consumi o che offrono un notevole potenziale di miglioramento, in base ai criteri stabiliti dall'organizzazione. Per ciascun SEU l'organizzazione identifica le variabili rilevanti (produzione, clima, occupazione), la prestazione energetica attuale e le persone il cui lavoro la influenza.

La norma non fissa i criteri. Molte organizzazioni classificano gli usi in base al consumo e prendono quelli che insieme costituiscono circa l’80% del totale, che è una soglia orientativa di Pareto. Quindi aggiungono eventuali usi minori con un'opportunità di miglioramento nota. Annotare i criteri, perché l’auditor li chiederà.

Senza sottocontatori, la classifica è costruita in base ai kW di targa moltiplicati per le ore di funzionamento. Tale stima fallisce in modi prevedibili:

• La targa di un motore indica la potenza dell'albero, non la potenza elettrica assorbita, e la maggior parte dei motori funziona al di sotto del carico nominale.
• Un compressore a vite con carico/scarico funziona per tutte le sue ore ma non lavora a carico per tutte. Senza carico, assorbe ancora dal 15 al 35% della potenza a pieno carico, secondo la Compressed Air Challenge.
• Un ventilatore con variatore di velocità al 70% della velocità assorbe in teoria circa il 34% della piena potenza, secondo la legge di affinità della ventola (0,7³). Le perdite del variatore e la pressione fissa del sistema rendono il valore reale più elevato.
• La potenza in ingresso di un refrigeratore cambia con il carico e la temperatura del condensatore, quindi il suo consumo estivo e invernale differisce.

Ognuno di questi può spostare un utilizzo verso l'alto o verso il basso nella classifica. Sono sufficienti alcune settimane di misurazione degli usi candidati per classificarli. Una linea di base richiede di più: un ciclo di produzione completo e, per un carico che dipende dalle condizioni meteorologiche, una stagione completa di riscaldamento e raffreddamento.

EnPI e valori di riferimento energetici

Un indicatore di prestazione energetica (EnPI, clausola 6.4) misura la prestazione energetica: kWh per tonnellata, kWh per metro quadrato, potenza specifica dell'aria compressa in kW per m³/min. Una baseline energetica (EnB, clausola 6.5) è il riferimento rispetto al quale viene confrontato l'EnPI. La norma ISO 50006 consiglia di normalizzare le variabili rilevanti, in modo che un cambiamento nella produzione o nelle condizioni meteorologiche non sembri un cambiamento nell'efficienza.

Un rapporto semplice fallisce quando il SEU ha un carico fisso. Prendiamo uno stabilimento alimentare con questo modello di elettricità mensile, stimato con una regressione a dodici mesi di riferimento:

E = 180.000 kWh + 310 kWh/t × P + 95 kWh/HDD × HDD

E è il consumo mensile di elettricità, P è la produzione in tonnellate e HDD indica i gradi-giorno di riscaldamento. L’intercetta di 180.000 kWh è il carico che funziona indipendentemente dalla produzione: perdite costanti della refrigerazione, illuminazione, ventilazione e perdite d'aria. HDD è nel modello perché questo impianto riscalda gli uffici e l'area spedizioni con pompe di calore. Un impianto riscaldato a gas testerebbe invece i gradi-giorno di raffreddamento, perché il lavoro di refrigerazione aumenta nella stagione calda.

L’EnPI semplice è passato da 634 a 658 kWh/t, con un peggioramento del 3,8%. Due effetti lo causano. Il carico fisso di 180.000 kWh è distribuito su 520 tonnellate invece di 600, ovvero 346 kWh/t invece di 300. I 110 gradi-giorno extra aggiungono 10.450 kWh. Senza modifiche in loco, il modello prevede quindi 704 kWh/t. L'EnPI normalizzato è il consumo effettivo diviso per quello previsto: 342.000 ÷ 365.900 = 0,935. L'impianto ha utilizzato il 6,5% di energia in meno rispetto alla previsione della baseline, con una differenza di 23.900 kWh.

Per un confronto relativo al solo riscaldamento, calcolare i gradi giorno dalle temperature medie giornaliere rispetto a una temperatura di base scelta. Mantenere coerenti il periodo di riferimento, le unità e il trattamento del carico di base. Questa normalizzazione più semplice non è la regressione multivariabile di cui sopra e non stima la confidenza statistica.

Controllo del modello

Controllare il modello prima di utilizzarlo. La guida M&V di FEMP cita i test IPMVP: ogni variabile necessita di una statistica t superiore a 2,0 e il modello necessita di un R² di almeno 0,75. Escludere una variabile che non supera il test t.

R² non ti dice se il risultato di un mese è reale. L'errore quadratico medio (RMSE) dell'adattamento lo fa. Supponiamo che il modello di esempio abbia un RMSE di 9.500 kWh nei mesi di riferimento con una media di 380.000 kWh. Il suo CV (RMSE) è quindi del 2,5%. Con dodici mesi e tre coefficienti, il modello ha 9 gradi di libertà e il valore t al 95% è 2,26. L'intervallo di previsione del 95% per un singolo mese è di circa ±2,26 × 9.500 × √(1 + 1/12) = ±22.400 kWh. Il risparmio di 23.900 kWh è appena oltre. In tre mesi con errori indipendenti l'intervallo cresce di √3, fino a circa ±39.000 kWh, mentre un risparmio costante cresce di 3. Tre mesi allo stesso ritmo danno circa 71.700 kWh, che è ben al di fuori dell'intervallo. Un mese di rendicontazione lontano dalla produzione media o dalle condizioni meteorologiche dei mesi di riferimento ha un intervallo più ampio di questo.

Tracciamento del risultato con CUSUM

Tracciare la somma cumulativa (CUSUM) del consumo effettivo meno quello previsto, mese per mese. Quando il sito funziona come nel periodo di riferimento, le differenze mensili sono sia positive sia negative e il CUSUM rimane vicino allo zero. Un cambiamento permanente si manifesta come un cambiamento di pendenza.

La pendenza cambia da circa zero a circa −23.400 kWh al mese nel mese del progetto. Una pendenza che si appiattisce nuovamente in seguito indica che il risparmio si è interrotto, ad esempio perché i controlli sono stati disattivati. La guida al risparmio esamina le statistiche e l'incertezza del risultato.

Revisione o aggiustamento della linea di base

La clausola 6.5 richiede che la linea di base venga rivista quando gli EnPI non riflettono più la prestazione energetica, quando i fattori statici cambiano molto o con un metodo stabilito in anticipo dall'organizzazione. Una nuova linea di produzione, un ampliamento di un edificio o un cambiamento nello schema dei turni sono cambiamenti di fattore statico.

Una modifica che aggiunge un carico separato e misurabile può essere gestita correggendo la baseline invece di adattarla nuovamente. La guida FEMP lo definisce un aggiustamento non ordinario. Ad esempio, lo stabilimento alimentare aggiunge un ventilatore di aerazione da 25 kW per il trattamento delle acque reflue che funziona ininterrottamente. Non è una misura di efficienza, quindi non deve apparire come una perdita. Misura il ventilatore e aggiungi il consumo misurato (circa 18.250 kWh in un mese di 730 ore) al valore previsto per ogni mese successivo all'avvio. Utilizzare il valore misurato, non i kW di targa.

Adatta nuovamente il modello quando la modifica altera la relazione con le variabili. Una nuova linea con un kWh per tonnellata diverso, o un nuovo mix di prodotti, modificano il coefficiente di produzione, quindi un aggiustamento dell'intercetta è sbagliato. Raccogliere nuovi dati per la nuova linea di base. In entrambi i casi registrare il motivo, la data, la modalità e i dati utilizzati.

I calcolatori della potenza specifica dell'aria compressa, del COP del refrigeratore e del COP della pompa di calore forniscono gli EnPI per tali SEU.

Il piano di raccolta dati

Il punto 6.6 richiede un piano per i dati necessari per monitorare la prestazione energetica. Copre almeno:

• le variabili rilevanti per ciascun SEU;
• i consumi energetici di ciascun SEU e dell'organizzazione;
• i criteri di funzionamento dei SEU;
• fattori statici, ove applicabili;
• i dati specificati nei piani d'azione.

La clausola 9.1.1 richiede quindi che l'organizzazione monitori i propri EnPI, il funzionamento dei SEU e il consumo energetico effettivo rispetto a quello previsto, nonché di indagare e rispondere a deviazioni significative. Il consumo previsto deriva dal modello di base, quindi un controllo di deviazione necessita dei dati energetici e dei dati variabili per lo stesso periodo.

Misura l’elettricità a intervalli di 15 minuti o meno, in modo che i fuori orario e il carico di base siano visibili. Registrare la produzione negli stessi periodi dell'energia. Una giornata di misura che inizia a mezzanotte e un giorno di produzione che inizia alle 06:00 mettono le tonnellate di un turno contro i kWh di un altro turno. Sincronizza gli orologi, registra le lacune come dati mancanti e non riempirli mai con zeri.

La misurazione deve essere accurata e ripetibile e l'organizzazione deve conservare registrazioni di calibrazione o verifica. Un misuratore di Classe 0,5S secondo IEC 62053-22 rientra entro ±0,5% della lettura dal 5% della corrente nominale in su e entro ±1% fino all'1%. I trasformatori di corrente installati in loco aggiungono il proprio errore, a meno che la classe non copra insieme il contatore e i suoi sensori di corrente. Nell’esempio svolto, un errore di misurazione dell'1% è di circa 3.700 kWh al mese. L'intervallo di previsione di ±22.400 kWh del modello è sei volte più ampio. La guida alla misurazione ad alta precisione spiega le classi di precisione.

Definizione dei criteri operativi del SEU

La clausola 8.1 richiede criteri per l'efficace funzionamento di ciascun SEU e la clausola 9.1.1 richiede che l'organizzazione li monitori. Imposta i criteri in base ai dati misurati, non a un'ipotesi.

L'aria compressa è il solito primo esempio. Misurare la linea di alimentazione del compressore per diversi fine settimana quando non è necessaria l'aria di produzione, dopo un'indagine e una riparazione delle perdite. Supponiamo che il carico fuori produzione si stabilizzi a 24 kW, per le valvole ad azionamento pneumatico e le perdite rimanenti. Impostare il criterio a 30 kW, circa il 25% sopra quella base, per più di 30 minuti tra venerdì 22:00 e lunedì 06:00. Un fine settimana a 45 kW è 21 kW sopra la base per 56 ore, ovvero 1.176 kWh. In un anno di fine settimana si ottengono circa 61.000 kWh. Ripetere la misurazione del carico di base dopo ogni indagine sulle perdite e rafforzare il limite se il carico di base diminuisce.

Prepararsi per la certificazione

1. Raccogliere dodici mesi di fatture per ogni vettore energetico e riconciliarle con eventuali contatori del sito.
2. Misurare i probabili SEU e le loro variabili rilevanti a intervalli di 15 minuti o meno, per almeno un ciclo di produzione e una stagione di riscaldamento e raffreddamento quando le condizioni meteorologiche incidono sul consumo.
3. Definire gli EnPI e le linee di base. Annotare il metodo di normalizzazione, le statistiche del modello e le regole per la revisione e l'aggiustamento.
4. Definire criteri operativi per ciascun SEU e configurare avvisi al superamento.
5. Completare almeno un audit interno e un riesame della direzione e conservare un numero di mesi sufficiente di dati EnPI per mostrare un miglioramento rispetto allo scenario di base.

La certificazione segue gli standard ISO/IEC 17021-1 e ISO 50003. L'audit di Fase 1 esamina il sistema documentato: l'analisi energetica, i criteri SEU, gli EnPI, le linee di base e il piano di raccolta dati. L’audit di Fase 2 verifica che il sistema funzioni nella pratica. La norma ISO 50003:2021 richiede che il team di audit confermi il miglioramento continuo delle prestazioni energetiche prima del rilascio del certificato e nuovamente al momento della ricertificazione. Un sistema completo sulla carta ma privo di dati che mostrino miglioramenti non supera la certificazione.

La norma ISO 50003 non stabilisce un numero minimo di mesi per la rendicontazione dei dati. L'evidenza deve mostrare un miglioramento maggiore dell'incertezza del modello. Nell'esempio pratico, un mese è al limite e tre mesi forniscono una prova più chiara. Concordare il periodo di rendicontazione con l'organismo di certificazione della Fase 1. Il certificato ha una durata di tre anni, con un audit di sorveglianza ogni anno. Durante la sorveglianza l'organizzazione deve dimostrare che si stanno implementando azioni di miglioramento.

Dati ISO 50001 con EpiSensor

I monitor dell'elettricità ZEM misurano l'elettricità in Classe 0,5S per il contatore e i suoi sensori di corrente insieme e riferiscono tramite Zigbee al Gateway. Uno ZEM sulla linea di alimentazione del compressore fornisce i kW per una potenza specifica EnPI e per il criterio di fuori produzione. Contatori di impulsi ZPC leggono le uscite di impulsi dei misuratori di gas, acqua e flusso. Il flussometro sul collettore dell'aria compressa fornisce i m³/min. Interfacce ZHM M-Bus leggono i contatori di calore. Sensori di temperatura TES misurano l'aria esterna per gradi-giorno e temperature degli ambienti o di processo. Sensori analogici ZIO leggono trasmettitori da 4 a 20 mA come un sensore di pressione del collettore.

Un Gateway che esegue Edge memorizza i dati sul sito. Un dispositivo calcolato di Edge può calcolare un rapporto EnPI, ad esempio potenza specifica o COP, su un intervallo allineato con l'orologio. Una regola di automazione con una finestra temporale e una condizione di durata può generare un avviso o inviare un'e-mail quando il compressore supera il limite di fuori produzione. La pagina Dati esporta le serie caricate come CSV, con una cella vuota per una lettura mancante invece di uno zero. I dati mensili sull’energia e i dati variabili possono quindi essere inseriti nella regressione e nei registri EnPI senza che le lacune vengano conteggiate come risparmi.