Il moltiplicarsi delle applicazioni basate sull’uso dell’energia elettrica ha imposto il continuo incremento del numero d’impianti in grado di produrla. Ora questa crescita rischia di avvicinarsi a saturazione e quindi è prioritario che l’energia prodotta non vada sprecata, in altre parole che sia usata con efficienza. Solo così si potrà alleviare la pressione sull’approvvigionamento energetico e se ne potranno diminuire i costi.
Cosa vuol dire fare efficienza sull’uso dell’energia? Significa trovare le soluzioni tecniche che permettono all’energia che entra in fabbrica di trasformarsi, nella più elevata percentuale possibile,in lavoro reale dei carichi alimentati. In altre parole deve essere minimizzata la parte di energia dispersa, anche in ragion del fatto che questa energia deve essere pagata.
Viene così coniato il termine Power Quality: in generale, migliore è la power quality, maggiore è l’efficienza produttiva dell’impianto a parità di costi, minori sono i guasti, minore è l’impegno e il costo di manutenzione, minori le perdite di linea.
Power quality, la qualità dell’energia che alimenta i carichi elettrici
Fino a quando l’elettronica non è entrata prepotentemente nelle applicazioni industriali dopo la prima metà del XX secolo, l’elettricità è stata prevalentemente utilizzata per alimentare principalmente motori, lampade d’illuminazione e impianti di riscaldamento.
Si trattava di “carichi lineari”, carichi cioè che, pur generando sfasamento tra le grandezze elettriche, mantengono la proporzionalità tra la tensione applicata e la corrente risultante.
Lo sviluppo dell’elettronica, in particolare dell’elettronica di potenza, ha drasticamente cambiato questa condizione. La principale conseguenza di questa nuova tipologia di carichi è stata la generazione di forme d’onda di corrente anche molto lontane da quella della tensione in ingresso al dispositivo, pur rimanendo periodiche (50Hz).
Questi carichi, che generano una forte distorsione del rapporto tensione-corrente, sono definiti “non lineari”. Nella figura seguente si vede come da una tensione sinusoidale possa nascere una corrente impulsiva.
La matematica ha permesso lo studio di queste forme d’onda grazie al teorema di Fourieur. Tali forme d’onda periodiche possono sempre essere scomposte in forme d’onda sinusoidali di ampiezza e frequenza calcolabili, la cui somma ricostruisce la forma d’onda periodica originale. Queste componenti sinusoidali sono chiamate armoniche.
Le armoniche di un segnale periodico sono sempre composte da una sinusoide detta “fondamentale” di frequenza pari a quella del segnale, e da una serie di sinusoidi di frequenza multipla intera della “fondamentale”.
Carichi elettrici non lineari e corrente impulsiva
Per capire quanto è consistente la presenza di armoniche di un segnale, può essere misurata la Distorsione Armonica Totale (THD: Total Harmonic Distorsion). Tale misura rappresenta il rapporto tra la somma delle ampiezze di tutte le sinusoidi, esclusa la fondamentale, e l’ampiezza della sinusoide fondamentale.
La figura sotto riportata rappresenta un segnale sinusoidale regolare, cioè privo di distorsioni.
distorsione armonica totale
La figura sotto riportata, invece, rappresenta un segnale periodico e distorto a causa dei disturbi presenti sulla linea elettrica. La misura del THD indica un elevato livello di distorsione (THD = 70%). Questo significa che la rete su cui il segnale è presente ha un elevato livello di armoniche, e quindi di distorsioni elettriche.
schema distorsioni elettriche
La norma CEI EN 50160 indica che il THD deve essere inferiore o uguale all’8%.
La presenza di armoniche su una rete elettrica è un fatto negativo, in quanto queste sono la ragione principale delle perdite di energia di una rete elettrica (cioè una parte dell’energia che entra in stabilimento non è trasformata in lavoro), e anche perché le armoniche sono la causa di disturbi elettrici anche gravi (sovratensioni, buchi di tensione, ecc.), che possono avere conseguenze importanti sulla durata e sul funzionamento dei componenti elettrici.
È bene non dimenticare che le diverse apparecchiature elettroniche usate in un impianto o in un macchinario sono di solito progettate per funzionare in condizioni normali (regime sinusoidale), e che la presenza di disturbi sulla rete elettrica può causarne il malfunzionamento, il reset o addirittura la rottura.
Inoltre, a parte le conseguenze sul ciclo produttivo sopra indicate, va anche tenuto presente che un componente in garanzia potrebbe non essere sostituito dal fornitore qualora, a seguito di una analisi sullo stato della rete elettrica, questa risultasse troppo disturbata.
Power Quality: caratteristiche e conseguenze
La qualità dell’energia presente in rete è caratterizzata da due aspetti tecnici:
Se uno dei costi dalla cattiva Power quality in azienda è rappresentato dal costo dell’energia non trasformata in lavoro a causa dei disturbi presenti in rete, altri costi certi, che sono spesso quelli preponderanti, sono dovuti alle conseguenze indirette provocate dagli stessi disturbi.
Queste conseguenze incidono infatti su:
regolarità di funzionamento;
interruzione della produzione;
degrado dei componenti;
rotture dei componenti;
frequenza di manutenzione;
ritardi nelle consegne e danni commerciali.
È evidente come ciascuna delle condizioni sopra indicate sia origine certa di maggiori costi, la cui entità spesso sfugge a chi li deve sostenere, e concorra alla diminuzione d’affidabilità dell’impianto nel suo insieme.
In particolare i costi per un arresto di produzione – causati per esempio da un buco di tensione o da una prematura rottura di un componente – sono quasi sempre largamente predominanti rispetto a quelli legati alle perdite di energia connesse ai disturbi.
Sono stati anche pubblicati studi specifici per fornire indicazioni sui costi legati a cattiva power quality.
Uno studio di Leonardo Power Quality Initiative compiuto in 8 paesi su 16 settori industriali, ha concluso che il costo medio industriale per la bassa qualità dell’energia è pari a quasi il 4% del fatturato, e all’economia europea costa fino a 150 miliardi di euro all’anno.
Un altro studio dell’Electric Light & Power Magazine rileva che il 30-40% dei tempi di inattività delle aziende è dovuto alla cattiva qualità della potenza.
Uno studio della Canadian Electrical Association, ha documentato che con un THD (Total Harmonic Distorsion) di circa il 10% si ha una diminuzione di vita dei dispositivi come di seguito indicato: apparecchiature monofasi:- 32,5%; apparecchiature trifasi: – 18%; trasformatori: – 5%.
Principali cause di una cattiva power quality
Può essere utile fare un elenco dei componenti che maggiormente creano condizioni di distorsione elettrica e quindi di cattiva Power quality. Sono:
Apparecchiature che utilizzano alimentatori switching: Personal Computer, stampanti, fotocopiatrici, decoder, apparecchiature video, ecc., prelevano dalla rete impulsi di corrente;
Trasformatori: hanno la curva di magnetizzazione del ferro tipicamente non lineare;
UPS: assorbono corrente sotto forma d’impulsi;
Sistemi d’illuminazione elettronica: l’alimentatore elettronico genera armoniche. In ambienti con un numero elevato di questi sistemi (es. alberghi, ristoranti, grossi complessi di uffici, centri commerciali) si generano disturbi in rete non trascurabili, ancora più elevati se ci sono di regolatori di luminosità;
Azionamenti di potenza:inverter (sistemi di variazione velocità), soft-starter, convertitori AC/CC e CC/AC (impianti FV), chopper, etc., assorbono una corrente impulsiva;
Impianti galvanici per zincare, anodizzare, stagnare, dorare, etc.: utilizzano raddrizzatori che generano corrente in forma impulsiva;
Forni a microonde: questi apparecchi hanno trasformatori e raddrizzatori per ottenere alte tensioni a elevata frequenza;
In pratica tutti questi dispositivi distorcono la forma d’onda della corrente assorbita innescando disturbi elettrici di varia forma e frequenza.
Purtroppo la cattiva qualità dell’energia può anche essere anche importata dell’esterno. La causa è dovuta alla presenza di stabilimenti industriali che generano disturbi di entità tale da farli propagare sulla rete ENEL fino all’interno di aziende vicine.
Si può migliorare la power quality?
Il miglioramento della power qualit deriva dalla possibilità di stabilizzare la corrente e la tensione, limitarne i picchi, migliorare il fattore di potenza, bilanciare i carichi, ridurre e ridistribuire le armoniche non funzionali della corrente.
Ciascun intervento sopra indicato può essere realizzato, con risultati anche molto diversi da fornitore a fornitore, da apparecchiature specifiche, commercializzate per quello scopo specifico: sono rifasatori, filtri passivi e/o attivi, scaricatori, stabilizzatori di tensione, ecc..
Da tempo sono anche proposte diverse soluzioni che, con un unico sistema di efficientamento, agiscono sull’insieme complessivo delle cause di disturbo della Qualità dell’Energia. Purtroppo tante di queste soluzioni in pratica non sono adeguate alla complessità del problema.
È quindi molto importante, se non indispensabile, avere dei criteri di valutazione che permettano un’analisi comparativa tra le varie proposte, utile a dare un metodo per selezionare la soluzione più affidabile ed efficiente.
Criteri di valutazione della power quality per l’efficienza energetica
1 – il fornitore è in grado di documentare una metodologia convincente e affidabile per individuare l’entità del risparmio medio che propone? In altre parole il risparmio è misurato o calcolato con formule?
2 – il risparmio individuato è un vero efficientamento energetico? È cioè ottenuto senza diminuire l’energia trasferita ai carichi comandati?
3 – è possibile inserire e/o bypassare il dispositivo di efficientamento durante il ciclo produttivo, senza compromettere in alcun modo la continuità d’alimentazione all’impianto?
4 – è garantito che ogni eventuale malfunzionamento del dispositivo di efficientamento metta automaticamente in bypass il dispositivo stesso, così da garantire la continuità di alimentazione all’impianto?
5 – è possibile comandare autonomamente la partenza della procedura di verifica risparmio in un momento qualunque, senza dover modificare nulla e senza interferire sulla produzione in corso?
6 – il fornitore del dispositivo di efficientamento è dotato di laboratorio a disposizione della clientela per permettere eventuali prove a supporto di quesiti tecnici?
7 – il fornitore possiede certificazioni italiane e internazionali utili a dar testimonianza del livello di affidabilità e di sicurezza del dispositivo in oggetto, tra cui in particolare il superamento del test da cortocircuito?
8 – il fornitore è in grado di documentare una regolare collaborazione con Università sul tema della ricerca sulla Power quality secondo gli standard internazionali (IEEE 1459-2010 / 1159-2014 / 519-2014)?
9 – il fornitore può produrre la certificazione di qualche Ente terzo di prestigio sull’affidabilità del sistema e sulla precisione della misura del risparmio d’energia?
10 – il fornitore ha referenze di prestigio?
11 – il fornitore garantisce che il software d’interfaccia del dispositivo rientra nelle condizioni previste della Norma Industria 4.0 della Legge di Stabilità 2017, in modo da poter usufruire dei benefici previsti dalla legge?
12 – la documentazione sul risparmio del dispositivo può essere utilizzata per richiedere i C.B.?
13 – il fornitore garantisce a contratto la restituzione della cifra già versata e il ritiro dell’apparecchiatura qualora questa non riuscisse a raggiungere il target di risparmio indicato nel contratto?
Poiché ci sono dispositivi commercializzati in Italia in grado di dare risposta positiva a tutte le condizioni sopra indicate per potenze fino a 2.800kVA, vale la pena approfondire sempre, in modo da trovare sempre la soluzione più sicura e affidabile.
La parola all’autore, Andrea Angelini, esperto in materia di protezione dei dati personali:
“Ingegnere, ex dirigente in contesti internazionali, ho sfruttato l’esperienza acquisita per selezionare e proporre selettivamente quanto di meglio si può trovare sulle nuove tecnologie, sia nel contesto delle energie rinnovabili, sia in quello dell’efficientamento energetico”.
Giornalista e communication manager è stato collaboratore, capo redattore e direttore di riviste specializzate con focus su smart technologies, industria elettronica, LED e illuminazione e sostenibilità ambientale.
Laureata in Lingue, ha acquisito nel corso degli anni forti competenze in ambito Smart City e Smart building.
Da oltre 10 anni, segue progetti editoriali speciali in tema di città sostenibili e intelligenti e promuove e organizza il premio Ecohitech Award.
Negli ultimi 8 anni si è specializza in content marketing, editoria online e scrittura SEO-oriented.
Oggi è Direttore editoriale di LUMI4innovation.it
