Studio sull’illuminazione intelligente nei magazzini (smart lighting)

I professori Eric Grosse e Christoph Glock, nel loro libro intitolato Warehousing 5.0, approfondiscono questo concetto che colloca i magazzini come pilastri centrali del vantaggio competitivo e del successo aziendale e riconoscono la grande influenza sull’efficienza della supply chain. Il libro, che ha disposto della collaborazione di numerosi ricercatori, riassume i risultati degli studi più recenti sul tema e offre una guida affinché i dirigenti trasformino i loro processi.

Gran parte delle emissioni di gas serra delle installazioni industriali proviene da riscaldamento, refrigerazione, aria condizionata e illuminazione. Nei magazzini, quest’ultima può rappresentare fino al 65% del fabbisogno energetico, il che ha un effetto significativo sui costi operativi e sull’impronta di carbonio dell’installazione.

La pressione per ottenere una maggiore efficienza energetica e il crescente impiego delle energie rinnovabili hanno promosso soluzioni innovative in case, reti elettriche, città e fabbriche intelligenti. I diodi emettitori di luce (dall’inglese light-emitting diode, LED) sono diventati una fonte di illuminazione popolare e ad alta efficienza energetica.

Una delle caratteristiche dei sistemi di illuminazione intelligenti (SII) o smart lighting systems è il miglioramento della qualità della luce e l’alta efficienza energetica che ottengono tramite la tecnologia LED e i controlli di illuminazione intelligenti. I sistemi tradizionali generalmente sono composti da luci controllate da interruttori. Invece, i SII utilizzano componenti come sensori di movimento o luce naturale per regolare l’intensità e anche il colore in base alle condizioni ambientali e alle necessità dell’utente.

Applicazioni nella logistica

I grandi spazi dei magazzini di preparazione degli ordini, con zone che rimangono vuote per lunghi periodi o che possono sfruttare la luce naturale, sono un’opportunità per l’utilizzo di sistemi di illuminazione intelligenti (SII). La qualità della luce gioca un ruolo chiave, perché influenza le performance dei pickers. Una cattiva visibilità può provocare operazioni più lente, una maggiore probabilità di errori e aumentare il rischio di infortuni.

Occorre sottolineare che le norme sul lavoro di ogni paese spesso indicano requisiti poco esigenti. Per esempio, il regolamento tecnico della Germania stabilisce una illuminazione minima per il magazzino trai 50 e 300 lux in base all’area di lavoro. In installazioni in cui occorre leggere un’etichetta o un’indicazione al momento di seguire compiti come la ricerca e la selezione nel picking, sono sufficienti solo 200 lux. Tuttavia, è necessario un livello di illuminazione da tre a quattro volte maggiore per una lettura chiara.

La qualità della luce gioca un ruolo chiave, perché influenza le performance dei pickers

L’introduzione di tecnologie LED nei magazzini può contribuire alla riduzione del consumo energetico durante tutto il processo di preparazione degli ordini. Migliorare l’illuminazione classica con soluzioni LED consente di ottenere un risparmio energetico superiore al 50% e, in base alla configurazione, ammortizzare l’aggiornamento in meno di tre anni.

Nell’ambito della preparazione degli ordini, dove i lavoratori svolgono compiti che necessitano un grande sforzo fisico e mentale, l’utilizzo dei SII porterebbe benefici significativi per il benessere e la produttività. Integrare tecnologie di illuminazione controllabili può potenziare il rendimento lavorativo, l’autonomia e la soddisfazione sul lavoro.

Case study in un magazzino

Nella nostra ricerca, abbiamo condotto un esperimento e una simulazione per illustrare gli effetti del possibile utilizzo dell’illuminazione intelligente (SII).

In primo luogo, abbiamo ottenuto i dati di un’azienda italiana specializzata nella produzione di valvole in ottone per i settori di acqua e gas. Le sue installazioni coprono una superficie di 4.300 m², di cui 3.500 m² sono destinati allo stoccaggio. l magazzino, di forma rettangolare e con dimensioni di 75 x 45 metri, è dotato di scaffalature per pallet dove il picking avviene manualmente. Alcune finestre garantiscono l’ingresso di luce naturale. La sua attività ha luogo in due turni di otto ore al giorno, cinque volte a settimana.

Dopo una verifica energetica esaustiva, si è scoperto che l’illuminazione rappresentava fino al 30% del consumo totale dell’installazione. L’azienda, che in origine faceva uso di lampade ad alogenuri metallici in magazzino, prese la decisione di migliorare l’infrastruttura per limitare il consumo di energia. Seguì le linee guida della norma EN 12464-1, che specifica i requisiti illuminotecnici per gli spazi di lavoro interni, e ha attuato una sostituzione degli apparecchi di illuminazione ─invece della sola sostituzione delle lampade─ per abbassare al minimo i costi durante il retrofit.

L’introduzione di tecnologie LED nei magazzini può contribuire alla riduzione del consumo energetico durante tutto il processo di preparazione degli ordini

L’azienda ha utilizzato SII tramite sensori di luce naturale e rilevatori di movimento. Questa integrazione ha permesso un controllo dinamico dei livelli di illuminazione tenendo in conto dell’influenza della luce naturale. Così, il sistema ha potuto adattare l’intensità di ogni corridoio in base alla sua frequenza di impiego.

In seguito all’installazione, sono stati raccolti dei dati negli ultimi 12 mesi. I risultati furono sorprendenti: il consumo nel magazzino è diminuito di circa l’80%. Va notato che questo è stato beneficiato significativamente dal rilevamento della luce naturale, che ha generato un risparmio maggiore durante l’inverno.

Consumo di energia dell’illuminazione [kWh] nel magazzino (adattamento di Füchtenhans et al., 2023).
Estratto dal libro Warehousing 5.0 di Christoph H. Glock y Eric H. Grosse

Inoltre, l’introduzione dei sistemi intelligenti portò a un aumento di circa 50 lux nel pavimento delle corsie del magazzino. Il costo totale della modifica delle installazioni è stato di 18.000 €, l’equivalente di 2.500 € per kW di potenza di illuminazione installata. Con un risparmio energetico sostanziale e una migliore illuminazione, l’investimento ha comportato un periodo di ammortamento di 1,9 anni.

Strategie per il risparmio

Per ottenere più informazioni su come influiscono i SII sul rendimento, abbiamo sviluppato anche un modello di simulazione in un magazzino di preparazione degli ordini manuali. Abbiamo considerato aspetti del progetto e operazioni, come le dimensioni, i modelli della domanda, la quantità di commissionatori, le assegnazioni di stoccaggio e le politiche sui lotti.  In questo modo, abbiamo adottato quattro strategie che rappresentano i diversi gradi di tecnologie di illuminazione intelligente:

• I primi due sistemi hanno illuminato completamente tutti i corridoi durante le operazioni.
• Il terzo ha ridotto l’intensità nei corridoi che non erano in uso in quel momento.
• Il quarto ha incorporato aree di attività completamente illuminate e luce ridotta al di fuori di queste zone.

La simulazione ha dimostrato che i sistemi intelligenti possono diminuire il consumo di energia fino all’87% in confronto all’illuminazione tradizionale di un magazzino a tempo pieno. Per quanto riguarda i possibili periodi di recupero degli investimenti nei magazzini, i risultati della nostra simulazione, il case study e una serie di interviste ad esperti hanno portato alle seguenti conclusioni:

• In un magazzino di 7.500 m² con una illuminazione annuale di 7.000 ore, il consumo energetico annuale medio totale utilizzato fluorescente è di 1.792 MWh, con un costo di 322.560 € ─considerando un prezzo di 0,18 kWh─.
• Con il retrofit delle lampade con lampadine LED, si riduce a 1.174 MWh, con un costo di 211.320 € all’anno.
• Integrare sensori di luce naturale per sfruttare 4,4 ore di sole al giorno e un sistema di controllo regolabile potrebbe generare un risparmio ulteriore e abbassare il consumo fino a 987 MWh, 177.600 € all’anno.
• Se la vita utile media è di 15.000 ore per i fluorescenti e di 50.000 ore per i LED, la manutenzione dei primi aumenterebbe a 576.000 € in dieci anni.
• La modernizzazione o il restyling necessario per implementare il sistema LED è stimato a un milione di euro, per i costi di manutenzione vengono eliminati in questo scenario.

In base a queste ipotesi, il periodo di ammortamento per un sistema di illuminazione senza ore di luce naturale è di 5,9 anni e, se dotato di sensori di luce naturale che contano 4,4 ore di luce solare al giorno, di 4,9 anni.