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Produzione Elettrica – Tecnologie & Soluzioni - 2 Parte

Continuiamo con la serie di articoli che affronta gli aspetti pratici e gestionali della produzione di energia elettrica. Nel primo articolo abbiamo visto quali sono le macchine e le tecnologie che ci permettono di produrre energia elettrica e di metterla a disposizioneai classici utilizzatori in corrente alternata ( Link Articolo Produzione elettrica - Tecnologie e soluzioni).
Con questo secondo cercherò di fare un riepilogo di quali sono le situazioni in cui i generatori elettrici si usano nella modalità “in isola”, che poi è il caso più semplice di generare e distribuire l'energia elettrica.
Ricordo infine che sitiamo parlando di rete elettrica in bassa tensione “tradizionale” a 230V o 400V.

Indice

Quando è necessario un generatore in isola

I generatori che funzionano in isola sono quelli utilizzati per alimentare utenze “locali” in situazioni dove la rete elettrica non è presente.
Da notare che il termine "isola" viene usato perché l'impianto elettrico collegato al generatore è isolato dalla rete, ma il termine può essere usato sia in senso geografico che in senso elettrico, come vedremo a breve.
Dal punto di vista del funzionamento, un generatore in isola è una macchina che adatta il proprio funzionamento, cioè la conversione di energia dalla fonte primaria (gasolio, sole, batteria, ecc) in elettricità, alla potenza richiesta dalle utenze; questo funzionamento nel gergo è detto ad inseguimento del carico.
Dei modi di funzionamento dei generatori ne parleremo comunque in un prossimo articolo; ora vediamo le tipiche situazioni dove si usano i generatori in isola e quali si usano a seconda delle necessità.

Volvo-penta - Gruppo Elettrogeno

Volvo-penta - Gruppo Elettrogeno

Applicazioni fisicamente isolate

In linea generale c'è bisogno usare un un generatore elettro funzionante in isola quando:

  1. la rete pubblica non esiste, oppure
  2. la rete esistente nella zona non ha potenza sufficiente
  3. per evidenti problemi “geografici”
  4. la rete esistente ha parametri diversi da quelli delle apparecchiarture da alimentare
Gruppo Elettrogeno per uso in Cantiere

Gruppo Elettrogeno per uso in Cantiere

Vediamo ora alcuni esempi delle situazioni sopra citate:

  • Cantieri edili;
  • Manifestazioni di pubblico spettacolo temporanee, Palchi ed attrezzature per concerti
  • Edifici isolati, rifugi e baite di alta montagna, ecc. (questi impianti sono anche detti OFF-GRID)
  • Mezzi su ruote quali Ambulanze, Camper
  • Imbarcazioni da diporto,
  • Furgoni con strumentazioni speciali o attrezzati per misure e prove
  • Vagoni ferroviari passeggeri
  • Altri mezzi di trasporto nei quali si devono mettere a disposizione dei passeggeri delle prese a 230V (per ricaricare PC e Cellulari o alimentare elettrodomestici, strumenti, attrezzature, ecc.)


Stiamo quindi parlando di situazioni dove generatore alimenta un impianto elettrico di dimensione molto contenuta o comunque di estensione ridotta; i collegamenti vanno dal generatore alle utenze in modo diretto (per i casi più semplici) oppure tramite un piccolo quadro elettrico per la protezione dei circuiti.
Le potenze in gioco possono andare da qualche centinaio di watt (per i quali si usano inverter) a diverse centinaia di kW (per i quali si usano gruppi con motori endotermici).

Applicazioni di Emergenza

Un'altra situazione di impianto isolato la troviamo quando è necessario creare un'isola (in senso elettrico) per una questione di continuità di servizio oppure di sicurezza.
E' il caso degli edifici dove è necessario avere un sistema di alimentazione di emergenza che alimenti alcune utenze “privilegiate” in caso di mancanza delle rete pubblica, perchè la mancanza della rete causerebbe un disservizio inaccettabile.
Fanno parte di questa categoria le grandi strutture aperte al pubblico, oppure servizi pubblici come ad esempio:

  • Ospedali, Case di Cura,
  • Aeroporti, Stazioni,
  • Alberghi,
  • Cinema e Teatri,
  • Centrali Telefoniche,
  • Stazioni Radiotelevisive
  • Caselli, gallerie e sottopassi autostradali
  • ecc.

Oppure processi industriali e del terziario non interrompibili quali ad esempio Industrie Chimiche, Centri Elaborazione Dati, Sistemi bancari di gestione dei pagamenti ed altre situazioni dove la mancanza della rete causerebbe un danno di mancata produzione di entità rilevante, oppure il danneggiamento del prodotto in corso di lavorazione, ecc.

Tipicamente in queste strutture, nel Quadro Elettrico Generale è presente un “gioco” di interruttori che, in caso di Black-Out, commuta l'alimentazione delle utenze che si ritengono “prioritarie” verso un generatore di emergenza (nel gergo, gruppo elettrogeno).
Tipicamente queste macchine sono installate in un apposito locale che risponde alle relative norme di Prevenzione Incendi (D.M. 13 luglio 2011).

Locale Gruppo Elettrogeno

Locale Gruppo Elettrogeno

Di conseguenza l'impianto elettrico di questi edifici è molto complesso, in quanto devono essere realizzati circuiti elettrici “normali”, che sono alimentati solo dalla rete, e circuiti “privilegiati” che possono essere alimentati indifferentemente dalla rete o dal gruppo elettrogeno.


Applicazioni di Continuità

Piccola citazione di una terza situazione in cui si alimentano delle utenze con un generatore "ausiliario" in caso di mancanza di rete: i gruppi di continuità (UPS), largamente utilizzati per alimentare senza interruzione i carichi “informatici”.
Questi dispositivi spaziano da applicazioni domestiche, con potenze di qualche centinaio di watt, ad applicazioni “industriali” da centinaia di chilowatt.
Sebbene rientrano tra i generatori di tipo elettronico (all'interno c'è sempre un inverter), nel primo articolo non li ho citati in quanto si tratta di una tipologia di apparecchiature che che esulano dalla presente serie di articoli.
La letteratura che insegna come installare e gestire queste macchine è gia abbondante pertanto non rubiamo spazio ai nostri "generatori" e continuiamo con il nostro articolo.


Casi Particolari

Una situazione molto particolare, ma che può accadere, è quella di dover alimentare un "carico" che funziona con uno standard elettrico diverso da quello che mette a disposizione la rete.
Questa tecnologia è sempre più richiesta, ad esempio, per alimentare da terra le navi passeggeri o da crocera quando sono ferme nei porti, per permettere alla nave di spegnere i motori termici e ridurre sensibilmente l'impatto ambientale della stessa mentre è ormeggiata in banchina.
In tal caso il mondo navale, che generalmente funziona a 60 Hz, ha bisogno di una apparecchiatura di conversione che permetta di accoppiarla alla rete di distribuze che funziona a 50 Hz. Qui le soluzioni possono essere costitite da:

  • Convertitori rotanti (un motore che trascina l'alternatori),
  • Convertitori statici (inverter) anche in Media Tensione.

Per quanto riguarda i primi, si tratta di una tecnologia piuttosto semplice e di lontanissima origine nel tempo; la potete vedere in un vecchio articolo ( LINK ARTICOLO ) che avevo scherzosamente chiamato "Convertitori Dinamici", dove ho riportato delle vecchie foto scattate nel 1988 all'Arsenale di Venezia .
Per quanto riguarda il secondo caso, si tratta di un convertitore AC/AC nel quale la corrente alternata in ingresso viene completamente raddrizzata per venire poi generata alla frequenza e tensione richiesta dal carico (la nave). Le potenze di questi apparecchi possono andare da pochi chilowatt a svariati Megawatt, ma a differenza degli inverter ad uso fotovoltaico, che massimizzano la potenza in uscita sulla base della disponibilità solare, qui invece l'uscita si adatta alla richiesta di potenza del carico.

TIPI DI GENERATORI IN ISOLA


Vediamo ora quali sono le macchine più diffuse che si usano per produrre energia elettrica in isola.


Gruppi Elettrogeni Benzina o Diesel

Il classico sistema di generazione elettrica per il funzionamento in isola è il gruppo elettrogeno, in inglese GENSET, una apparecchiatura costituita da un motore termico accoppiato direttamente ad un alternator; ce ne sono moltissimi tipi, ad esempio portatili, trasportabili su ruote oppure per installazione fissa; possono essere dotati di una cofanatura insonorizzante, oppure possono essere completamente aperti (open frame).

Gruppo elettrogeno portatile non insonorizzato (Yamaha)

Gruppo elettrogeno portatile non insonorizzato (Yamaha)

Tipicamente i gruppi elettrogeni fino a piccole taglie di potenza (circa 5-10 kW) sono dotati di motore a benzina, mentre per potenze superiori sono costituiti da motori diesel (alimentati a gasolio); è il caso di grossi gruppi di emergenza usati nei grandi edifici quali ospedali, aeroporti, ecc. che possono avere potenze da 200-300 kW fino ad oltre 2 MW.
C'è comunque da dire che per questioni di affidabilità nelle applicazioni critiche o per servizi essenziali, non si installa mai un unico gruppo elettrogeno ma si preferisce ripartire il carico su due o più gruppi.

Cummins Standard Openset Generator

Cummins Standard Openset Generator

Nel Gruppo Elettrogeno in isola il motore è dotato di un regolatore di giri che ha il solo scopo di mantenere costante la velocità del motore (e quindi la frequenza della tensione erogata).
Detta in breve, quando viene acceso un carico collegato al gruppo, ad esempio una pompa o una stufa elettrica, il regolatore di giri “sentirà” il calo di velocità del motore (e di conseguenza il calo della frequenza) ed andrà ad agire sull'acceleratore per erogare maggiore potenza e riportare il motore alla velocità corretta per garantire i 50 Hz.
Viceversa, agirà al contrario quando un carico viene spento o disconnesso.
In queste macchine quanto più elevata è la qualità è il regolatore di giri, tanto minore sarà lo scostamento della frequenza del gruppo elettrogeno a fronte dell'accensione o dello spegnimento dei carichi.
Per quanto riguarda la tensione, il gruppo elettrogeno è dotato di un regolatore elettronico atto a mantenere la tensione in uscita sui valori prefissati (ad es. 230/400V), dispositivo detto AVR, che nei casi più semplici è all'interno della morsettiera dell'alternatore, mentre nelle macchine più grandi è dentro al quadro elettrico.

Per chi voglia approfondire l'argomento Gruppi Elettrogeni funzionanti in isola, rimando al seguente articolo: https://www.electroyou.it/m_dalpra/wiki/il-gruppo-elettrogeno-in-isola


Gruppi elettrogeni con inverter

Oggi sul mercato dei piccoli gruppi elettrogeni (quelli portatili, monofasi) ci sono dei gruppi dotati di un inverter interno per garantire una migliore qualità alla tensione erogata.
In questi gruppi la meccanica è costituita come di consueto da un motore termico (tipicamente a benzina) e da un generatore elettrico, ma questo eroga una tensione fuori standard o che comunque non puù essere usata per le apparecchiature (ad esempio ha una frequenza diversa dai 50Hz, oppure è in corrente continua); questa tensione viene successivamente "trattata" da un inverter che produce la vera tensione alternata disponibile per l'utente.
Il vantaggio di questi gruppi è che il motore può funzionare ad un regime di rotazione qualsiasi, senza nessun vincolo dettato dalla frequenza in uscita: qualunque sia la tensione e la frequenza che fornisce il generatore rotante, non ci interessa, perché poi ci pensa l'inverter a regolare la produzione elettrica per avere un tensione e frequenza corrette.
L'inverter costituisce praticamente una separazione tra la tensione prodotta e quella realmente erogata, disaccoppiando il motore dalla responsabilità di assicurare la qualità alla tensione in uscita.

Gruppo Elettrogeno portatile con inverter

Gruppo Elettrogeno portatile con inverter

Questa soluzione consente al progettista meccanico del motore di studiare un motore a proprio piacimento, ottimizzando i rendimenti senza legarsi troppo alla velocità di rotezione; questo significa, oltre a migliore qualità nella tensione, anche ottimizzazione di consumi e pesi.


Inverter per Fotovoltaico con Uscita di BACKUP

Con l'avvento degli impianti fotovoltaici domestici con accumulo sono apparsi sul mercato inverter che propongono una “soluzione” tecnologica aggiuntiva rispetto alla tradizionale funzionalità dell'impianto fotovoltaico, ossia la produzione di energia elettrica per l'immissione nella rete tramite l'impianto dell'utente: si tratta della produzione di energia elettrica di emergenza.
Oggi sono infatti disponibili in commercio degli inverter che mettono a disposizione un'uscita in corrente alternata a 230V monofase ma anche a 400V trifase (ad esempio la serie Symo di Fronius) che può essere attivata per alimentare l'impianto elettrico in caso di blackout, utilizzando l'energia fornita dal sistema di accumulo.

Inverter Fronius Symo GEN24

Inverter Fronius Symo GEN24

Generalmente negli inverter fotovoltaici di questo tipo l'uscita destinata all'alimentazione di emergenza viene identificata come uscita di Backup, per distinguerla dall'uscita normale, quella che eroga energia durante il funzionamento "classico".
Questa distinzione è fondamentale e serve per questioni di sicurezza: l'inverter non deve erogare energia verso la rete pubblica nel momento in cui accade un blackout, in quanto potrebbe ferire un tecnico dell'azienda elettrica che sta riparando un guasto sulla rete di distribuzione (che è lo scopo della Protezione di Interfaccia richiesta dalle norme). Attenzione che è necessario realizzare, nel quadro elettrico di casa, un sistema di commutazione con dei Relè, in modo da scollegare le utenze dalla classica alimentazione (che arriva dalla rete) e passarle alla alimentazione di riserva proveniente dall'uscita di Backup dell'inverter.
Tale sistema dicommutazione è generalmente gestito dallo stesso Inverter.


INVERTER per applicazioni su Mezzi di Trasporto

In commercio sonopresenti moltissimi modelli di inverter portatili o comunque per applicazioni hobbistiche e domestiche. Si utilizzano per fornire 230V in campeggio oppure agli impianti delle imbarcazioni da diporto o ai mezzi su strada.
Questi dispositivi sono molto compatti e sono concepiti per alimentare impianti elettrici molto piccoli e con poche utenze.
Sono come dei piccoli gruppi elettrogeni, ma anziché prendere l'energia dalgasolio o dalla benzina, la prendono da una batteria, come succede adesempio nei camper.
L'azienda Leader di questo mercato (di nicchia) è la olandese Victron Energy.

Impianto INVERTER a bordo Camper.jpg

Impianto INVERTER a bordo Camper.jpg

Facciamo infine un piccolo confronto di questi sistemi, che utilizzano le batterie, rispetto ad un consueto gruppo elettrogeno con motore endotermico:

  • Vantaggi: leggero, compatto, silenzioso, pratico, pulito, manutenzione zero;
  • Svantaggi: autonomia limitata dalle batterie, poca attitudine di sopportare sovraccarichi e spunti di motori;


APPLICAZIONI "OFF-GRID" - BAITE & RIFUGI

Un ultimo tipo di impianto isolato è quello che si realizza in edifici che si trovano in luoghi sperduti o difficilmente raggiungibili.
Questi impianti, di tipo fisso, sono generalmente detti Off-Grid perchè appunto non hanno nessun punto di contatto con la rete, nè sono predisposti per esserne collegati.

Si tratta generalmente di impianti con moduli fotovoltaici e batterie, funzionanti in corrente continua, ad esempio 24V o 48V.
In questi impianti la corrente continua può essere usata per alimentare direttamente alcune utenze, ad esempio l'illuminazione, mentre le tradizionali utenze in corrente alternata (se presenti) possono essere alimentate grazie ad un piccolo inverter a 230V - 50 Hz.
I componenti elettronici di gestione delle batterie e di conversione DC/AC possono singoli oppure concentrati in un unico dispositivo "multifunzione".
In alcune versioni è possibile, nel caso ad esempio di giornate consecutive molto nuvolose, accendere un gruppo elettrogeno (anche portatile) per ricaricare le batterie; riporto qui sotto un esempio di schema di questi sistemi.

Schema impianto Fotovoltaico "OFF-GRID"

Schema impianto Fotovoltaico "OFF-GRID"


Fine Seconda Parte

Si conclude qui questo secondo articolo. Prossimamente andremo più nello specifico delle macchine che funzionano in parallelo con la rete.
Prima però farò una importante partentesi per evidenziare alcuni aspetti "economici" della produzione di energia elettrica, con la 3a Puntata (https://www.electroyou.it/m_dalpra/wiki/produzione-elettrica-3-parte-aspetti-economici

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