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Il Gruppo Elettrogeno in isola

Pur essendomi occupato molte volte di impianti di produzione elettrica fotovoltaici, eolici ed idroelettrici, il fascino degli impianti basati su macchine termiche lo ritengo inarrivabile. La sensazione di energia che ti dà il rumore di un Gruppo Elettrogeno, diesel o a gas, non ha niente a che vedere con il silenzio di un impianto fotovoltaico o con il fruscio di una torre eolica, senza dimenticare il brivido che provi quando giri la chiave della messa in moto ed il motore si porta a regime di giri per alimentare il carico.
Provi la soddisfazione che il tuo lavoro è andato a buon fine.

Indice

GENSET

Oggi con questo articolo vi voglio parlare di gruppi elettrogeni, del classico generatore Diesel, quello che a livello internazionale viene chiamato "Genset", una macchina che si usa per alimentare un carico in assenza della rete pubblica, indipendentemente che sia a causa di un Black-out o perché si devono alimentare delle utenze provvisorie. Cercherò quindi di parlare delle caratteristiche meno conosciute di queste macchine, meno spiegate, perché solitamente si danno per scontate o perché si credono banali o secondarie. Ma quando si progetta nulla dovrebbe essere tralasciato, perché più cose si prevedono e migliore sarà la gestione dell'impianto e minori i costi di manutenzione.

Diesel_Caterpillar_Genset

Diesel_Caterpillar_Genset


PRONTI A PARTIRE

Le spiegazioni che seguono saranno principalmente orientate ai gruppi elettrogeni "di emergenza", cioè che si installano in tutti gli edifici che richiedono una alimentazione di riserva in caso di mancanza della tensione di rete, come ad esempio aeroporti, ospedali, cinema, teatri, Datacenter, stazioni ed altri luoghi che erogano servizi non interrompibili.
Alcune indicazioni comunque sono utili anche per i gruppi elettrogeni che vengono usati in modo "provvisorio" per alimentare cantieri, manifestazioni ed altre utenze di tipo temporaneo in situazioni dove non sia presente la tensione di rete.

Diesel_cummins-generator

Diesel_cummins-generator


DATI TECNICI DI BASE

Ecco alcuni dati tecnici fondamentali delle macchine di cui parleremo:

  • Alimentazione a gasolio
  • Tensione di uscita è 230/400V (trifase+neutro),
  • Frequenza in uscita: 50 Hz
  • Sistema di distribuzione TN-S
  • Range di potenza 100...2000kW.

Generalmente queste macchine girano a 1500 giri/minuto, per gli impianti funzionanti a 50Hz, mentre girano a 1800 g/1 per gli impianti a 60Hz (usati a bordo nave o nei paesi di influenza americana).

METTIAMO IN MOTO

Da cosa è composto un Gruppo Elettrogeno ?
Prima di tutto avremo un motore endotermico, generalmente a ciclo Diesel, con tutti i componenti ed i problemi tipici di un qualunque motore di automobile: ci deve essere la batteria per la messa in moto, il tubo di scappamento, il radiatore, il filtro dell'olio, ecc.. ecc...
In pratica sono tutti componenti che devono essere manutenuti da un "motorista". Nel dimensionare il locale ricordatevi quindi di lasciargli lo spazio per girarci attorno, almeno 80 centimetri.
Il secondo componente fondamentale del gruppo elettrogeno è l'alternatore, che deve essere una macchina "sincrona", completa di eccitatrice e regolatore di tensione. Chi assembla il Genset alle volte fa il furbo e sottodimensiona l'alternatore: vedremo tra poco le cose minime da controllare per evitare questi problemi.
Ricordatevi che se il gruppo elettrogeno deve essere "di emergenza", ossia sempre pronto a partire, dovrà avere costantemente alimentate le seguenti due utenze a 230V:

  • una resistenza (scaldiglia) per tenere costantemente caldo l'olio del motore,
  • il caricabatterie (che mantiene cariche le batterie di avviamento, generalmente 2 in serie, perché funziona a 24Vcc).

Un'altra utenza esterna al gruppo potrebbe essere la Pompa di "trasferimento" del gasolio, cioè la pompa che preleva il gasolio dalla cisterna interrata posta all'esterno e lo travasa nel serbatoio integrato del gruppo, che generalmente non contiene più di 100 litri.
Ricordatevi inoltre che i locali con i Gruppi Elettrogeni devono rispettare la Regola Tecnica di Prevenzione incendi specifica per queste macchine (D.M. 13 luglio 2011): non potete fare a meno di leggerla.


Diesel_Genset_Parts.png

Diesel_Genset_Parts.png



POTENZE IN GIOCO

Dimensionare la potenza di un gruppo elettrogeno potrebbe non essere semplice, dato che generalmente il progettista non ha elementi certi relativamente ai carichi da alimentare.
Supponiamo comunque che vi abbiamo comunicato che dovete alimentare un carico che complessivamente assorbe circa 300kW. Personalmente sarei orientato ad ordinare un Gruppo da 500kVA. I Gruppi Elettrogeni infatti solitamente sono dimensionati per alimentare un carico con Cos φ = 0.8, pertanto la Potenza Attiva disponibile sarà:


P = 500 \times 0{,}8 = 400 \; [\text{kW}]

Nella pratica significa che il nostro gruppo elettrogeno avrà un margine di sicurezza del 30% sul carico previsto (400/300), margine che è utile anche per far fronte allo spunto di avviamento di eventuali motori.
Nel caso siano presenti motori particolarmente importanti, questo calcolo dovrà essere fatto molto più attentamente, per evitare di far rallentare eccessivamente il Gruppo all'avviamento del motore o causare un buco di tensione alle utenze.
Un'altro modo di dimensionare il Gruppo Elettrogeno potrebbe essere quello di chiedere un motore diesel che abbia almeno una potenza "meccanica" di:


Pmecc \; = \; Pcarico \times 1{,}3

Alcune marche note di motori diesel per gruppi elettrogeni sono: Volvo, Iveco Aifo, MTU, Cummins, Man, Perkins.

Nel calcolo della potenza resa da un gruppo elettrogeno si dovrebbe tener conto anche delle perdite dell'alternatore; per queste potenze generalmente si tratta di macchine con un rendimento di circa il 94%.
Per i più esigenti, ecco la curva di rendimento di un alternatore in bassa tensione trifase a 50Hz a 4 poli (Stamford HCI534C/544C).

Stamford_Efficency 50Hz 500kVA

Stamford_Efficency 50Hz 500kVA

Sull'asse orizzontale dovete scegliere una la percentuale della potenza alla quale è caricato l'alternatore, mentre sulla destra (in verticale) dovete prendere il fattore di potenza del vostro cario (di solito si prende PF=0.9); sull'asse delle ordinate troverete quindi il corrispondente rendimento.

APERTO O SILENZIATO

I fornitori dei gruppi elettrogeni hanno generalmente due possibilità di fornire il gruppo: aperto o silenziato (cofanato). Nel primo caso il motore è a vista e quindi non avrà nessun filtro relativamente alle sue emissioni acustiche, né sarà riparato dalle intemperie, pertanto può solamente essere installato in luoghi interni o coperti.

diesel-fuel-generator-set - Cummins

diesel-fuel-generator-set - Cummins

Nel secondo caso si tratta di un container o comunque di un involucro metallico adatto per l'esterno, chiuso a chiave ed isolato dal punto di vista acustico. Ci sono modelli silenziati (circa 75 dB) e super-silenziati (circa 65dB).
E' utile anche se installato all'interno, perché evita interventi di mitigazione acustica, che dovrebbero essere progettati su misura.


ALTERNATORE

Mi è capitato più di un caso di Gruppi di Generazione dove l'alternatore era stato sottodimensionato o dimensionato in modo superficiale, soprattutto a causa delle taglie commerciali.

ECO-series-4-Pole-Alternator Mecc-Alte

ECO-series-4-Pole-Alternator Mecc-Alte

Ad esempio, se il motore diesel ha la potenza di 1000kW il Genset deve essere equipaggiato con un alternatore almeno da 1250kVA.
E' vero che difficilmente i carichi hanno un cosfi 0.8, ma è altrettanto vero che non si installa mai una macchina per usarla al 100% della sue prestazioni nominali. I margini infatti sono importanti e servono sia per le situazioni di emergenza che per evitare un invecchiamento precoce dei componenti, pertanto non è professionale sottilizzare su questi numeri, soprattutto se si tratta di investimenti che devono assicurare una lunga durata ed affidabilità.
Consiglio pertanto di osservare questa regola:

Salt = Pmec / 0,8

Dove

  • Salt è la potenza minima che deve avere l'alternatore sulla targa, in kVA
  • Pmec è la potenza meccanica erogata all'asse dal motore Diesel, in kW

Naturalmente si dovrà scegliere la macchina con la taglia "commerciale" che più si avvicina a questo numero; il consiglio, come dicevano i latini, è "meglio abbondare che scarseggiare", cioè di prendere la macchina che si avvicina per eccesso; vorrà dire che il vostro gruppo avrà poche perdite nel rame.
Del resto, come si vede nel grafico sopra riportato, il rendimento ottimale si ottiene intorno al 60% della potenza nominale.
Per finire, ricordo alcune delle marche di alternatori che si trovano più spesso: MECCALTE (italiana), LEROY SOMER(francese) e STAMFORD (inglese).

INTERRUTTORI

Non è necessario che l'alternatore sia dotato di un interruttore BT a bordo. I trasformatori MT/BT non sono dotati di interruttori a bordo, quindi non vedo perché si dovrebbe mettere l'interruttore sull'alternatore. Chi mi legge da tempo sa che cerco di evitare le cose inutili, sia perché sono un costo sia perché significa aggiungere complicazioni all'impianto.
L'interruttore a bordo alternatore può essere comodo per questioni di manutenzione, ma non è indispensabile.


NEUTRO A TERRA

Ricordatevi che il centro stella dell'alternatore deve essere collegato a terra, se volete fare un sistema di distribuzione TN-S. Date le potenze in gioco negli impianti di cui stiamo parlando, direi che il TN-S è d'obbligo.
Altri sistemi di distribuzione sono possibili ma vanno valutati caso per caso.
Se avete una cabina MT/BT propria e gli interruttori verso il Trafo sono tripolari (o avete il sistema è TN-C), il collegamento a terra del Neutro è sempre garantito grazie al collegamento a terra del centro stella del trasformatore; in questo caso si potrebbe evitare di collegare a terra il centro stella dell'alternatore .

COMMUTAZIONE

Mi è capitato diverse volte di vedere a fianco del gruppo elettrogeno un quadro elettrico di potenza per eseguire la commutazione Rete/Gruppo, costringendo l'impiantista a "giri" particolarmente lunghi con i cavi BT di sezione importante, aggiungendo all'impianto dei costi inutili.
La commutazione Rete/Gruppo, solitamente si fa nel Quadro Generale di Bassa Tensione, nell'eventuale sezione dedicata alle utenze privilegiate (sempre che il gruppo non debba alimentare l'intero impianto): è in questo quadro che si deve prevedere l'interruttore a protezione della linea che arriva dall'alternatore e dell'interruttore dell'alimentazione proveniente da rete, entrambi motorizzati ed interbloccati.
L'interblocco può essere omesso ma solo se la logica di controllo del gruppo è in grado di gestire il parallelo con la rete.

ELETTRONICA DI CONTROLLO

Generalmente i gruppi elettrogeni hanno a bordo una centralina elettronica per la gestione del motore endotermico, centralina che a volte può gestire anche il comando della commutazione rete-gruppo, ma non è il modo migliore di realizzare questa funzione.

Genset Control Panel

Genset Control Panel

La cosa migliore è tenere separate queste due funzioni e posizionare la centralina di gestione della commutazione nei pressi del Quadro BT con gli interruttori Rete-Grupo; in questo modo l'operatore può fare tutti i test sull'impianto elettrico senza doversi allontanare dalla sala quadri per andare a comandare il gruppo elettrogeno.

LOVATO - commutatori-automatici-di-rete

LOVATO - commutatori-automatici-di-rete

FREQUENZA

Quando un gruppo elettrogeno alimenta un carico in isola, è praticamente impossibile avere una frequenza esattamente a 50Hz, sia per le tolleranze dovute al regolatore di giri (la pompa di iniezione del gasolio), sia per la presenza di carichi che si accendono o spengono facendo variare di conseguenza il regime di rotazione del motore primo. Anche qui influisce la reattività del regolatore di giri, ma non serve nemmeno fasciarsi la testa.
Variare la frequenza della rete infatti generalmente non causa problemi importanti: significa essenzialmente variare la velocità dei motori elettrici. Tutte le apparecchiature elettroniche di oggi, infatti, sono multifrequenza (50-60Hz), e quindi hanno un range di lavoro molto largo, compresi i motori che vengono alimentati tramite inverter. Infine, una pompa o un ventilatore ad avviamento elettromeccanico, che dovessero accelerare o decelerare per pochi istanti non dovrebbero costituire un problema per il funzionamento o un pericolo per l'impianto, né dal punto di vista meccanico né dal punto di vista elettrico, pertanto non è il caso di preoccuparsi se la frequenza di alimentazione dei carichi in isola non è precisa.

FOTOVOLTAICO E FREQUENZA

Ricordo infine che gli impianti fotovoltaici, essendo gli inverter programmati secondo la Norma CEI 0-21 (o 0-16), dopo una interruzione o microinterruzione, restano disconnessi dalla rete fintanto che la frequenza non rientra nei margini della norma, che sono molto stringenti, per almeno 300 secondi. Questo significa che è praticamente impossibile far funzionare un impianto Fotovoltaico mentre una rete BT funziona in isola alimentata da un gruppo elettrogeno, proprio per l'instabilità della frequenza. Per far ripartire l'impianto fotovoltaico si dovrà attendere il rientro della tensione di rete.


AUTONOMIA

Per garantire al nostro impianto di emergenza una certa autonomia, ad esempio 12 ore, è necessario prima di tutto calcolare il consumo del gruppo elettrogeno.
Per fare questo calcolo è possibile seguire questa semplice regola empirica:

  • Potere calorico di 1 lt di gasolio = 10 kWh
  • Rendimento del Gruppo Elettrogeno = 25%
  • Energia prodotta con 1 lt di gasolio = 2,5 kWh

Utilizzando il nostro carico ipotetico di 300 kW, significa che si avrà un consumo orario di:


Consumo = 300/2,5 = 120 \; [lt/h]

Dimensione minima della cisterna del gasolio:

D = 120 \times 12 [ore] = 1440 \; [lt]

La cisterna "commerciale" più adatta per questa applicazione sarà quindi quella da 2 metri cubi (2000 lt).
Da notare che non è necessario spingersi a calcolare con troppa precisione questo dato, e questo per diversi motivi: in primo luogo perché generalmente il carico non è noto e secondariamente perché durante il funzionamento il carico cambia più volte; secondariamente perché la resa del gruppo elettrogeno cambia con la percentuale de carico applicato, quindi diventa ancora più complicato calcolare il consumo al variare delle condizioni di lavoro.
Meglio quindi fare un calcolo orientativo e piuttosto coinvolgere il committente nella decisione di quante ore di funzionamento si vogliono assicurare e di quanto gasolio si vuole "immobilizzare" nella cisterna... economicamente parlando!


STANDBY POWER e PRIME POWER

I fornitori di Gruppi Elettrogeni generalmente dichiarano due potenze, che si riferiscono a due modi di utilizzare lo stesso gruppo:

  • Prime Power

E' l'applicazione dove il gruppo elettrogeno è la fonte primaria di energia elettrica e quindi resta "perennemente" acceso per alimentare i carichi; questo è il caso dei luoghi che non hanno accesso alla rete pubblica come Miniere, Isole, Cantieri, Pozzi e altre zone remote.
In questo caso la Potenza Nominale del motore subisce un declassamento (o derating) per aumentarne l'affidabilità. Il derating infatti limita l'usura, diminuisce il consumo di olio di lubrificazione ed evita di aumentare la temperatura di lavoro anche al fine di ridurre il rischio di eventuali guasti e fuori servizio.
Il motore "Prime Power", infine, deve essere pronto a sopportare brevi sovraccarichi ma anche continue variazioni del carico, di qui il necessario declassamento della potenza.

  • Standby Power

E' la classica applicazione di "Emergenza" dove il gruppo interviene molto raramente per un guasto o un Black-Out sulla rete pubblica; in questa applicazione si può "spremere" dal motore più potenza rispetto all'uso continuativo, dato che è una condizione che tipicamente dura solo poche ore e comunque non oltre 1-2 giorni all'anno. E' quindi possibile usufruire di una maggior erogazione di potenza dal motore anche senza danneggiarlo.

ALTRI COMBUSTIBILI

Non c'è una regola che obbliga ad usare un combustibile piuttosto che un altro, ma generalmente i gruppi elettrogeni funzionano a gasolio, per il semplice motivo che consente di essere indipendenti da qualunque evento esterno. Un gruppo elettrogeno a metano, ad esempio, è molto più complesso e costoso, inoltre dipende da una rete che potrebbe comunque essere fuori servizio proprio ne momento in cui manca anche la rete elettrica.
Di motori a gas/biogas, ne parleremo eventualmente in un altro articolo dedicato alla Cogenerazione.
Ricordo infine che il motore inventato da Rudolf Diesel nel 1892 può funzionare con qualunque olio vegetale, non solo con il gasolio estratto dal petrolio.


NOTA

Se ci saranno indicazioni dagli utenti, sarò lieto di espandere l'articolo con ulteriori aggiornamenti ed integrazioni.

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Commenti e note

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di ,

Ringrazio tutti per i molti suggerimenti:
@ Goofy effettivamente anche sovradimensionare troppo non è buona cosa, soprattutto sul lato motore. Comunque spero che il grafico di rendimento dell'alternatore possa essere utile per capire che a bassa potenza il rendimento decade in modo importante.
@ Ssormanni la 'capability curve' è un argomento molto interessante, anche molto trattata nella CEI 0-16; comunque, generalmente le utenze degli impianti di distribuzione BT sono costituite da carichi induttivi o leggermente induttivi, quindi esula dall'articolo.
@ albertagort questo articolo affronta i gruppi elettrogeni con potenza di almeno 100kW, dove si usa il diesel

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di ,

Monto importante è il grafico chiamato 'capability curve' della tensione nominale in funzione del tipo di carico. Si vede da questo grafico che il generatore può tranquillamente fornire tensione nominale per qualsiasi valore di cosphi induttivo, ma per quello capacitivo andanto oltre la soglia di 0.5-0.6 la potenza generata praticamente si annulla.

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di ,

nessuno ha mai avuto esperienze con gruppi di continuità rotanti accoppiati ad un gruppo elettrogeno?

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di ,

Per piccole potenze ci sono anche i gruppi a benzina, oltre che a gasolio

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di ,

Ho un dubbio sul sovradimensionamento dell'alternatore: ok nel caso che il motore sia fatto lavorare spesso o sempre vicino alla potenza massima. Se però ci siamo già presi un dovuto margine sulla potenza del motore, con l'alternatore sovradimensionato potremmo farlo lavorare sotto al 40 % con conseguenti perdite di rendimento. Nel bilancio energetico comunque penso che sia meglio privilegiare il rendimento del motore.

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di ,

Quando il carico (oppure una parte del carico) è costituito da un UPS, allora la stabilità in frequenza ha la sua importanza. Ho avuto esperienza con un UPS piccolino (6 KVA), che tollerava un'ampia gamma di tensioni in ingresso, ma uno scostamento di frequenza del 5% massimo. In assenza di alimentazione, si "rifiutava" letteralmente di accettare l'alimentazione da un vecchio gruppo elettrogeno diesel, per il quale costituiva un carico non variabile e di potenza piuttosto ridotta rispetto alla potenza del gruppo stesso.

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di ,

Goofy, grazie della segnalazione. La funzione math ha fatto una cosa strana. C'era scritto / times ed è venuta fuori una moltiplicazione. Chiedo venia per non essermi accorto. Ho sistemato. Grazie ancora.

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di ,

Marco seguendo il tuo ragionamento mi sembra che dovresti scrivere Salt=Pmecc/0,8 (Salt=1250 kVA con Pmecc=1000 kW)

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