Efficienza Energetica e Internet delle Cose in un sistema di distribuzione in bassa tensione.

Sommario - L'efficienza energetica nei sistemi di distribuzione elettrica è un fattore chiave per la riduzione delle emissioni di CO2 nell'ambiente e nel contempo ridurre la spesa energetica dell’impianto.

L'articolo, passando in rassegna tutti gli elementi costituenti un sistema di distribuzione in bassa tensione, dal trasformatore MT/BT ai carichi elettrici per il tramite di condotti prefabbricati, condutture e quadri elettrici, mette in evidenza i concetti di sviluppo applicati alle apparecchiature elettriche per migliorare l'efficienza energetica di ogni singolo elemento.

Ma l'utilizzo di apparecchiature "verdi" è solo un aspetto dell'efficienza energetica, per una ottimizzazione dei consumi è indispensabile disporre di oggetti costantemente "connessi" (Internet of Things) per poter reagire con la necessaria rapidità ai bisogni dell'installazione e/o della Smart Grid.

L'articolo quindi analizza i sistemi di misura e controllo e le architetture da prevedere per una gestione intelligente del sistema di distribuzione.

I. INTRODUZIONE

L’efficienza energetica nei sistemi di distribuzione elettrica è un fattore chiave per la riduzione delle emissioni di CO2 nell’ambiente e nel contempo ridurre la spesa energetica nell’esercizio dell’impianto.

Attraverso una attenta scelta dei componenti che costituiscono il sistema di distribuzione è possibile migliorarne l’efficienza energetica.

L’utilizzo di apparecchiature “verdi” è solo un aspetto dell’efficienza energetica, per una ottimizzazione dei consumi è indispensabile disporre di oggetti costantemente "connessi" (Internet of Things) per poter reagire con la necessaria rapidità ai bisogni dell'installazione e/o della Smart Grid.

I prodotti IoT oggi disponibili sul mercato permettono di misurare, analizzare e controllare i parametri elettrici per la gestione intelligente di un sistema di distribuzione.

Da un punto di vista normativo “fare efficienza” è diventato un obbligo (Direttiva EU), per la sostenibilità ambientale un doveroso rispetto per il pianeta e, in taluni casi, anche un meccanismo incentivato, alla stessa stregua degli impianti di produzione fotovoltaica negli anni passati.

In questo scenario, con un significativo cambio di tendenza rispetto al passato, anche la Distribuzione Elettrica è chiamata a giocare un ruolo importante.

Ne è la prova la pubblicazione, nel 2014, della prima norma dedicata all’Efficienza Energetica per gli impianti elettrici in BT : la IEC 60364-8-1. L’articolo ha lo scopo di fornire gli elementi base per la

valutazione di un sistema di distribuzione in bassa tensione dal punto di vista dell’efficienza energetica e le nuove tecnologie IoT applicabili per la misura, il comando e il controllo.

II. I COMPONENTI DEL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE IN BASSA TENSIONE

Un tipico sistema di distribuzione in BT è indicato nella Fig. 1.
Gli elementi che compongono il sistema sono il trasformatore MT/BT, il condotto sbarre che collega il trasformatore con il quadro di distribuzione principale, i condotti sbarre che collegano il quadro principale con i quadri derivati ed infine i collegamenti verso i carichi che possono essere in cavo su passerella o ancora tramite condotti sbarre in funzione della tipologia e della distribuzione dei carichi.

 All’interno dei quadri elettrici sono installate le apparecchiature di protezione, controllo e misura e i dispositivi che permettono di connettere il quadro alla rete internet per inviare a distanza le informazioni provenienti dalla rete (parametri di tensione, corrente, potenza, energia, armoniche) e per inviare al quadrostesso i segnali di comando e controllo.

Di seguito si analizzeranno i singoli elementi dal punto di vista dell’efficienza energetica e i parametri chiave che il progettista dell’impianto deve considerare per ottenere un sistema “green”.

III. TRASFORMATORE  MT/BT : ECODESIGN

 Il trasformatore MT/BT, anche detto trasformatore di distribuzione, è il primo elemento che interfaccia la rete in media tensione con quella in bassa tensione.

Sul mercato sono presenti trasformatori di distribuzione con due differenti tipologie di raffreddamento : in liquido isolante e a secco, le loro potenze variano tra 50kVA e 3150kVA.

I trasformatori con raffreddamento in liquido isolante, utilizzati per tutti gli impieghi dalla media all’alta tensione, sono caratterizzati da elevati valori di efficienza energetica. Tra gli svantaggi sull’uso di tali trasformatori sono da considerare:

• la presenza dell’olio minerale di raffreddamento che richiede un adeguato sistema di raccolta dell’olio in caso di perdita dello stesso.
• le verifiche periodiche della capacità dielettrica dell’olio. In caso di test negativo occorre rigenerare o sostituire l’olio con conseguenti oneri economici anche per lo smaltimento come rifiuto speciale.
• il pericolo di incendio/esplosione, in quanto l’olio minerale standard ha un punto di infiammabilità pari a 135°C

Negli ultimi decenni si sono diffusi i trasformatori con isolamento a secco. Tali trasformatori non prevedono un isolamento liquido e quindi sono privi della cassa che lo contiene, l’isolamento è di tipo solido e la sua tipologia può variare tra gli avvolgimenti MT e BT.

In particolare per gli avvolgimenti MT si utilizza la tecnica dell’inglobatura con resina epossidica.

L’avvolgimento viene inserito in uno stampo e la resina epossidica viene colata al suo interno dopo aver posizionato lo stampo in una autoclave sotto vuoto.

Successivamente l’avvolgimento viene messo in forno di cottura secondo un particolare processo fino ad ottenere la polimerizzazione della resina.

Il risultato è un avvolgimento MT di tipo inglobato il cui raffreddamento nell’uso ordinario avviene per mezzo dell’aria che lambisce le superfici esterne. In caso di trasformatori di elevata potenza sono previsti avvolgimenti in MT con canali d’aria intermedi per facilitare lo scambio per convezione.

Per gli avvolgimenti BT si utilizza generalmente una impregnazione sotto vuoto tramite resina poliestere.

L’autoestinguenza in caso di incendio e la resistenza a condizioni ambientali severe (temperatura e umidità) fanno si che l' impiego dei trasformatori in resina isolante è largamente diffuso nel terziario e nelle infrastrutture (banche, università, centri commerciali) per garantire la massima sicurezza di persone e cose e minimizzare il rischio di inquinamento.

In figura 2 è rappresentato un tipico trasformatore in resina isolante.

L’efficienza energetica di un trasformatore dipende dalle perdite a vuoto P0  (no-load losses) e dalle perdite a carico Pk  (load losses), le prime sono indipendenti dal carico e sono presenti costantemente quando il trasformatore è alimentato, le seconde sono funzione del carico e variano quindi con il profilo di carico della macchina.

Da tempo la normativa di prodotto europea (EN50464-1 trasformatori immersi in olio e EN50541-1 trasformatori di tipo a secco) ha introdotto per le perdite dei trasformatori diverse classi come indicato in tabella 1.

TABELLA 1

A partire da Luglio 2015 in Europa entra in vigore il regolamento 548/2014 che definisce le modalità di applicazione della Direttiva Europea 2009/125 CE “Energy Related Products”.

Tale direttiva definisce i requisiti a cui i produttori devono attenersi , a partire dalla fase di progettazione dei prodotti, per migliorare l’efficienza energetica e ridurre l’impatto ambientale durante il loro ciclo di vita.

Il regolamento 548/2014 definisce le classi energetiche dei trasformatori con liquido isolante e a secco che saranno obbligatorie a partire dal 1 luglio 2015 e successivamente dal 1 luglio 2021.

In particolare alla scadenza del 1 luglio 2015 per i trasformatori a secco sarà ammessa per le perdite a vuoto la sola classe A0  e per le perdite a carico la classe Bk  fino alla potenza di 630kVA e la classe Ak  per le potenze superiori fino a 3150kVA.

La scelta del progettista per l’impiego di un trasformatore di distribuzione di una determinata classe energetica, deve essere valutata in accordo con il cliente utilizzando una semplice curva di total cost TCO (costo della macchina + costo di esercizio) che permette di valutare il break even point tra due macchine di classe energetica diversa. Normalmente il sovraccosto di una macchina appartenente ad una classe più efficiente viene riassorbito entro 2-3 anni di funzionamento con i risparmi sul costo dell’energia (figura 3).

In valore assoluto si può calcolare che per un trasformatore di potenza 630kVA con un profilo di carico 8 ore @ 90% e 16 ore @ 20%, si può risparmiare fino a 1,8 MWh all’anno equivalente ad 1T CO2 emessa nell’atmosfera, utilizzando una classe energetica A0 Ak in luogo di una A0 Bk .

IV. CONDOTTI PREFABBRICATI  : ENERGY SAVING NELLA DISTRIBUZIONE

 La distribuzione dell’energia dopo la trasformazione MT/BT avviene utilizzando una opportuna rete di cavi o, come avviene in molti casi, per mezzo di sistemi di barre prefabbricate. Il sistema di barre prefabbricato è costituito da una terna di barre di rame o alluminio opportunamente isolate e disposte all’interno di un contenitore metallico, generalmente acciaio o alluminio, che conferisce alle barre la rigidità necessaria e sul quale sono predisposti gli elementi per il fissaggio a muro o a soffitto del sistema prefabbricato.

Nei sistemi elettrici con neutro distribuito è presente una quarta barra di pari sezione per questo scopo, l’involucro metallico è invece utilizzato per la distribuzione del conduttore di protezione PE.

In figura 4 è riportata l’immagine di elementi lineari di un tipico sistema di sbarre prefabbricato.

Le perdite per effetto Joule nei condotti barre prefabbricate sono proporzionali alla resistenza elettrica del conduttore secondo la formula: P=3 x Rt  x Ib 2  x L/1000 dove: ‐  Ib  è la corrente di impiego (A), Rt  è la resistenza per unità di lunghezza (mΩ /m) del condotto sbarre misurato alla temperatura ambiente di riferimento tamb  (°C) dichiarata dal costruttore, L è la lunghezza del condotto sbarre.

La norma di riferimento IEC/EN61439-6 prevede una temperatura media di 35°C sulle 24 ore con punte massime di 40°C.

Sul mercato sono disponibili prodotti con temperature di funzionamento di 35°C o superiori , ad esempio 40°C.

Maggiore è la temperatura ambiente di riferimento dichiarata dal costruttore, minori saranno le perdite per effetto Joule alla reale temperatura ambiente di funzionamento.

Per una data portata nominale, una accurata scelta dei condotti sbarre secondo il valore Rt  dichiarato e certificato dal costruttore alla temperatura di riferimento tamb , permette un risparmio energetico importante.

A titolo di esempio, considerando il condotto sbarra da 2500 A di due fabbricanti presenti sul mercato che chiameremo A e B, aventi RtA =0,0170 mΩ /m a 40°C e RtB =0,025 mΩ /m a 35°C con un profilo di carico 8 ore @ 90% e 16 ore @ 20% e per una lunghezza L=100 m

la differenza di energia persa in un anno sarà pari a 600kWh corrispondenti ad un risparmio di 0,3 T di CO2 emessa in atmosfera.

V. QUADRI DI DISTRIBUZIONE  : EFFICIENZA ENERGETICA DEI COMPONENTI

L’energia elettrica distribuita tramite i condotti prefabbricati viene fornita ai carichi per mezzo di quadri elettrici di distribuzione, che contengono al loro interno i dispositivi di protezione, comando e controllo dei carichi stessi.

In figura 5 è rappresentato un tipo schema di un quadro di distribuzione dell’energia.

Nel suo interno si possono identificare i principali dispositivi :

• interruttori automatici aperti ACB’s
• interruttori automatici scatolati MCCB’s
• interruttori automatici modulari MCB’s
• barre di distribuzione

Ciascun dispositivo è caratterizzato dalla potenza dissipata Pd  alla corrente nominale e nelle condizioni di temperatura di funzionamento nominale.

La potenza dissipata dipende anche dalle caratteristiche di installazione degli apparecchi, ad esempio un ACB in versione estraibile ha una potenza dissipata doppia rispetto ad un identico ACB in versione fissa. Le nuove tecnologie, se da un lato hanno portato alla riduzione delle dimensioni degli apparecchi, dall’altra hanno contribuito all’aumento delle potenze dissipate.

Per ogni specifica applicazione la scelta del progettista potrà orientarsi verso apparecchi molto compatti o apparecchi più ingombranti ma più efficienti dal punto di vista energetico.

A titolo di esempio un interruttore automatico ACB tripolare 2500 A in versione fissa ha una potenza dissipata Pd compresa tra 450 e 600W passando da una versione standard ad una compatta.

Anche negli apparecchi meno complessi quali le spie luminose, le nuove tecnologie hanno permesso di ridurre drasticamente le potenze dissipate. L’utilizzo della tecnologia a led porta ad una riduzione maggiore del 90% del consumo e considerando che in un power center possono essere installate centinaia di spie luminose il risparmio può essere dell’ordine di centinaia di watt.

Analizzando le potenze dissipate all’interno del quadro power center di figura 5 per le varie tipologie di apparecchi si ha una distribuzione come quella indicata in tabella 2.

TABELLA 2

Nel caso sopra indicato una riduzione del 10% della potenza dissipata totale, raggiungibile con uno studio attento sulle caratteristiche delle apparecchiature, permette un risparmio di 500 kWh/anno corrispondenti a 0,25 T di CO2 immessi nell’ambiente.

VI. INTERNET OF  THINGS E SMART GRID

Un moderno ed efficiente sistema di distribuzione non può basarsi solo sulla progettazione e l’installazione di componenti “green”.

L’efficienza di un impianto dipende molto anche dalle modalità di utilizzo (comportamenti umani) e dall’invecchiamento delle sue parti (motori, corpi illuminanti, etc.).

Per individuare queste criticità e poterle correggere è necessario un sistema di controllo, il BMS (Building Management System), che ne evidenzi le anomalie nel tempo e gli scostamenti rispetto al comportamento previsto in fase di progetto.

Ma i tradizionali sistemi BMS si sono dovuti anche adattare all’evoluzione delle modalità di impiego e della dotazione tecnologica del personale qualificato; dall’incaricato della Manutenzione sempre presente sull’impianto, la cui interfaccia “intelligente” era il PC dedicato alla Supervisione, si è passati ad una condizione in cui un manutentore è preposto alla sorveglianza di più siti e, per questo, ci  si aspetta di poter utilizzare apparecchi portatili e di uso quotidiano

come lo smartphone e il tablet.

Per ottenere questo gli apparati presenti nell’impianto si devono adattare ad un modo diverso di “essere connessi”, tra loro ed agli utenti tramite “the network” per antonomasia: la rete Internet. O, altrimenti detta, è l’ “Internet of Things” applicato alla Distribuzione Elettrica, l’ “Internet of Watts”. In aggiunta, rispetto al passato, la rete di distribuzione sta evolvendo da tempo da una rete di tipo “demanddriven ” (la rete si adatta ai bisogni degli utilizzatori) ad una di tipo “supply-dependent ”.

Per questo motivo un sistema di distribuzione deve essere in grado di adeguarsi ed adattarsi, sempre piùrapidamente, alle esigenze di questa nuova tipologia  di rete dinamica: la Smart Grid, s enza però tralasciare le esigenze dell’utente che “vive” l’impianto, dal quale si aspetta di trarre il massimo confort.

Insomma il Connected Building è un ecosistema complesso che, per funzionare, ha bisogno di una

intelligenza adeguata.

 Per questa ragione i sistemi BMS, negli ultimi anni, si sono evoluti verso sistemi specifici per l’Efficienza Energetica, gli EEMS (Energy Efficiency Management System) con l’integrazione di algoritmi mirati alla gestione dell’impianto connesso.

Di seguito è riportato lo schema funzionale riportato nella norma di riferimento IEC 60364-8-1

VII. I SISTEMI DI SUPERVISIONE E LA MISURA DISTRIBUITA

 In un impianto complesso, la conoscenza e l’analisi dei fabbisogni e dei profili di utilizzo (curve di carico, ore di utilizzo, etc.) sono il primo passo per migliorarne l’efficienza individuando, al contempo, quali sono gli investimenti più convenienti da intraprendere e più semplici da realizzare.

L’installazione di un sistema di misura distribuita, realizzato a partire dalle zone più energivore, garantisce anche il controllo dell’efficacia delle soluzioni adottate e il raggiungimento degli obiettivi previsti. Ma la misura distribuita è solo il primo anello della catena per l’Efficienza Energetica. Una volta noti i consumi, il primo passo verso il loro contenimento è dato dall’implementazione nell’EEMS di logiche di comando, che possono essere di tipo:

• MANUALI
• AUTOMATICHE SULLA BASE DI UN EVENTO (Esempio: se Ptot >1MW a  scollego i carichi “non prioritari”)
• AUTOMATICHE SU BASE PROGRAMMATICA : accensione alle 8.00, spegnimento alle 18.00
• Questo, tra l’altro, è in linea con i requisiti della norma ISO 50001 – Energy Management System che prevede un modello di gestione identico a quello della ISO 9001 e 14001 e cioè di tipo PDCA:
• PLAN : identificazione degli obiettivi
• DO : implementazione delle azioni
• CHECK : controllo dei risultati
• ACT : intraprendere azioni per il miglioramento continuo

Un esempio di Sistemi di Distribuzione BT realizzati e gestiti con l’obiettivo dell’Efficienza Energetica sono quelli di Bticino S.p.A., società del Gruppo Legrand in Italia, certificata ISO 9001 e ISO 14001.

Si tratta di 9 siti industriali, distribuiti su tutto il territorio italiano, la cui gestione è coordinata centralmente dall’headquarter  di Varese, quest’ultimo anche il più significativo in termini energetici

Alcuni numeri :

• 6 cabine MT;
• 16 trasformatori MT/BT;
• 21 edifici;
• potenza nominale complessiva: 10.800kW;
• spesa energetica/annua: 2.700.000€ solo per la componente elettrica.

Dal 2011, l’azienda ha deciso di istituire un gruppo di lavoro permanente dedicato all’Efficienza Energetica.

Tale gruppo ha operato su due fasi:

1. individuazione, per ciascun sito e in collaborazione con il responsabile manutenzione locale, delle aree più energivore;
2. installazione di soluzione di registrazione ed analisi dei consumi (Figura 8);
3. pianificazione e realizzazione di interventi di efficienza energetica (con stima del ROI) sulla base delle ipotesi fatte nella fase 2
4. analisi dei risultati, nei termini identificati in Tabella 3 - Figura 6

TABELLA 3

Questa esperienza e metodologia sarà alla base di una nuova fase per Bticino S.p.A e per tutto il Gruppo Legrand: l’avvio, nel corso del 2015, del processo di certificazione ISO 50001 a partire dai siti europei più energivori.

IX. CONCLUSIONI

Il vantaggio di ridurre i consumi elettrici con l’uso di apparecchiature ad alta efficienza e con una attenta gestione dei carichi ha una doppia valenza.

La prima è la riduzione dei costi spesi in energia da parte dell’industria, la seconda è quella di contribuire alla riduzione dell’inquinamento del nostro pianeta.

Nell’articolo abbiamo visto che l’utilizzo di trasformatori di distribuzione di classe energetica più elevata permette un risparmio importante. Il nuovo regolamento europeo impone per i trasformatori di distribuzione l’uso di classi energetiche elevate a partire dal 1° luglio 2015.

Nei paesi extraeuropei, dove non esiste questa regolamentazione, è responsabilità del progettista eseguire un adeguato calcolo costo-benefici per proporre al cliente la scelta di una macchina che riduca la sua spesa energetica e contribuisca alla riduzione delle emissioni di CO2. Una scelta attenta delle caratteristiche dei condotti sbarre prefabbricate permette un risparmio sulle perdite nella distribuzione dell’energia negli impianti. In particolare il progettista dovrà considerare il dato della resistenza per unità di lunghezza e la temperatura ambiente di riferimento relativa.

Anche nei power center la scelta delle apparecchiature installate permette di ridurre il consumo di energia e quindi il conto energetico pagato dal cliente annualmente. In particolare si dovranno analizzare i dispositivi a maggior consumo come ACB’s, MCCB’s, barre di distribuzione secondo la distribuzione indicata in tabella 2.

Ma anche una Distribuzione Elettrica ben progettata per l’Efficienza Energetica (IEC 60364-8-1) necessita  di sistemi di controllo specifici (EEMS) che ne garantiscano un utilizzo corretto e, se necessario, consenta l’adozione tempestiva di misure correttive che non vanifichino gli obiettivi di risparmio e riduzione delle emissioni di CO2, oltre che la flessibilità necessaria per adattarsi ad una rete di distribuzione primaria sempre più “supply-dependent ”.

Contestualmente, le soluzioni tecniche ai bisogni sopra indicati hanno dovuto conciliarsi con le dotazioni e le abitudini degli utilizzatori derivanti dal mondo consumer , assistendo di fatto all’applicazione del modello “Internet of Things” anche ad un ambito professionale come quello della gestione degli impianti elettrici.

RIFERIMENTI

[1] Smart Grid White Paper – Intel

[2] IEC60364-8-1

[3] IEC61439-6

[4] EN50464-1

[5] EN50541-1

AUTORI

Marcello Re - Direttore Sviluppo Prodotti Business Unit Distribuzione Energia Legrand

Michele Scalvini - Responsabile Sviluppo Sistemi di Supervisione B.U. Distribuzione Energia Bticino