Come prima soluzione tecnica analizzata per soddisfare la domanda di energia elettrica del cantiere è stato scelto l’utilizzo della rete prevalente affiancata da un gruppo elettrogeno.
Si ricorda che la connessione e di conseguenza anche la logica di gestione del G.E., dovrà mantenere le caratteristiche di Utenza passiva, in accordo con le osservazioni e le considerazioni economiche fatte nel paragrafo 4.3.
Inoltre, si dovrà tenere di conto dei criteri di progetto descritti nel capitolo 2, e assunti per ogni mix di power energetico analizzato.
5.1) Gruppi elettrogeni nei cantieri edili
Normalmente un gruppo elettrogeno è costituito da un motore, spesso diesel, che trasformerà l’energia chimica posseduta dal carburante in energia meccanica all’asse di macchina e da un alternatore che sfruttando l’energia meccanica creata fornirà energia elettrica al carico collegato.
Si possono evidenziare più tipi di gruppi elettrogeni in relazione alle seguenti caratteristiche:
I. In relazione al collegamento con la rete:
• in alternativa; ad installazione fissa con opportuni sistemi di commutazione (di riserva);
• in parallelo; funzionamento in parallelo con la rete; • in isola; completamente indipendente dalla rete pubblica;
• in funzionamento misto; con funzionamento che può essere sia in parallelo che in isola.
II. In relazione alla mobilità:
• trasportabili; di potenza non superiore a qualche kVA, di dimensioni contenute e possono essere spostati a mano;
• carrellati; di elevata potenza e dimensioni, sono montati su mezzi mobili, solitamente un carrello, per facilitarne il trasporto;
• fissi; sono collocati in posizione permanente e stabile.
III. In relazione al motore endotermico associato possono essere
equipaggiati con:
• motori a scoppio; piccoli gruppi (dai 2 ai 6 kW), solitamente trasportabili, alimentati a benzina;
• diesel; per potenze che possono superare i 5000 kW, alimentati a gasolio;
• turbine a gas; si tratta di vere e proprie centrali elettriche, da alcuni MW al centinaio di MW, con alternatori mossi da turbine a gas.
IV. In relazione al tipo di generatore:
• alternatore sincrono; • alternatore asincrono; • dinamo.
I gruppi elettrogeni possono essere utilizzati in particolari situazioni come sorgenti di alimentazione ordinaria, quando non è possibile allacciarsi alla rete pubblica (ad esempio unità mobili, cantieri, allestimenti temporanei per fiere e spettacoli, ecc..), oppure in condizioni di emergenza, quando non è tollerabile il venir meno della fornitura dell’energia elettrica dalla rete principale, per la produzione di energia ausiliaria, di riserva o di sicurezza.
Alimentazione per i servizi di sicurezza - Fornisce l’alimentazione di parti
dell’impianto per le quali è fondamentale, per la sicurezza delle persone (safety), garantire la continuità di funzionamento. Per questo motivo i gruppi elettrogeni utilizzati per tale servizio devono possedere alcuni requisiti supplementari indicati dalle Norme CEI 64-8.
Alimentazione di riserva - Un’alimentazione di riserva deve fornire
l’alimentazione agli utilizzatori o parti dell’impianto per motivi diversi dalla sicurezza delle persone. I gruppi elettrogeni utilizzati per tale scopo non devono quindi sottostare a particolari prescrizioni normative né per il tipo di intervento né per la continuità di servizio.
5.1.1) Collegamento del G.E. con la rete elettrica A. Funzionamento in isola
Nel funzionamento in isola il gruppo elettrogeno fornisce energia all’impianto quando non esiste alcun collegamento elettrico con la rete di distribuzione fig. 5.1.2. Tale scelta di utilizzo del G.E. è utile là dove si ha bisogno di energia elettrica per brevi periodi di tempo, oppure in caso in cui l’allacciamento alla rete elettrica non è realizzabile (zone rurali o montuose).
B. Funzionamento in emergenza o in riserva
In questo caso il gruppo elettrogeno è al servizio dell’impianto assieme ad un’altra fonte che di solito risulta essere la rete elettrica.
Quest’ultima è il sistema di alimentazione ordinario, ma in sua mancanza o in caso di commutazione forzata del gruppo, entrerà in funzione l’alternatore, alimentando parte degli utilizzatori (carichi privilegiati) o l’intero impianto. In questo caso non è però permesso al gruppo di collegarsi in parallelo alla rete, per questo motivo viene evitato il collegamento tra le due fonti energetiche attraverso un sistema di commutazione con interblocchi meccanici (fig. 5.1.3) o elettrici ridondanti (fig. 5.1.4).
Figura 5.1.3: schema commutazione rete/G.E. con interblocco meccanico
C. Funzionamento in parallelo alla rete Viene attuato il parallelo per i seguenti motivi:
- per la cogenerazione e quindi riversare energia in rete; - per integrare la potenza di rete;
- per aumentare la continuità del servizio per il carico.
Non appena il gruppo elettrogeno entra in parallelo alla rete distributrice l’impianto diventa a tutti gli effetti utenza attiva e quindi dovrà seguire tutte le procedure di connessione regolate da specifiche norme.
Si possono differenziare due tipologie di gestione di tale sistema:
a) Il gruppo elettrogeno è esercito ad erogazione costante e la rete è usata come integrazione (utile per la cogenerazione o se si vuole aumentare la continuità del servizio per il carico).
b) La rete ad erogazione costante e il gruppo usato come integrazione (con questa tipologia si può esercire l’impianto con elevata flessibilità, ma richiede motori con alte prestazioni e con alte caratteristiche di duttilità).
Nel seguente trattato verrà considerato il gruppo elettrogeno diesel come fonte energetica secondaria assieme alla rete elettrica, non attuando però una connessione in parallelo a quest’ultima, così da evitare di diventare Utenza attiva. L’alternatore entrerà in gioco, sotto specifiche condizioni, dopo una commutazione automatica che porta alla suddivisione dell’impianto in due parti, così da mantenere sempre separate le due fonti energetiche.
Come già specificato il G.E. può essere utilizzato come fonte di riserva in caso di emergenza e/o sicurezza quando viene meno l’alimentazione della rete elettrica di distribuzione, ma in questa specifica trattazione non verrà presa in considerazione tale analisi.
5.1.2) Potenza elettrica
Per potenza nominale di un gruppo elettrogeno si intende la potenza attiva P [kW] che l’alternatore può sviluppare ai morsetti di uscita considerando un cosφ=0,8 ed è riferita alle condizioni nominali atmosferiche indicate dal costruttore.
Il gruppo elettrogeno può essere monofase o trifase; in quest’ultimo caso si dovrà distribuire equamente i carichi monofase sulle singole fasi e non si dovrà superare la corrente nominale del gruppo.
Quest’ultima può essere calcolata come:
𝐼
𝑛=
𝑃𝑛√3∗𝑈∗0,8
(17)
Spesso il gruppo elettrogeno deve avviare motori elettrici (asincroni trifase), ad esempio per un cantiere edile il motore di una gru o di un montacarichi, i quali durante l’avviamento possono assorbire correnti che sono anche 4÷6 volte la 𝐼𝑛.
Quindi un motore elettrico assorbirà una potenza apparente pari a: 𝑆𝑎𝑣𝑣 = √3 ∗ 𝑈 ∗ 𝑘 ∗ 𝐼𝑛_𝑔𝑟𝑢 (18)
con k = 4 ÷ 6 La potenza assorbita dall’asincrono della gru sarà:
𝑃𝑛_𝑔𝑟𝑢 = 𝜂√3 𝑈 𝐼𝑛_𝑔𝑟𝑢 𝑐𝑜𝑠𝜑 (19)
con 𝜂 rendimento dell’asincrono
Da quest’ultima si ricava √3 𝑈 𝐼𝑛_𝑔𝑟𝑢 che sostituendo nell’espressione di 𝑆𝑎𝑣𝑣
si ricava:
𝑆
𝑎𝑣𝑣= 𝑘
𝑃𝑛_𝑔𝑟𝑢𝜂 𝑐𝑜𝑠𝜑 (20)
La potenza apparente del generatore dovrà quindi essere uguale a quest’ultima equazione, così da permettere al motore di avviarsi senza interruzioni, causate dall’intervento delle protezioni.
Questo è una considerazione che andrà tenuta di conto al momento della scelta del gruppo elettrogeno; d’altro canto l’alternatore può essere sovraccaricato, per un breve periodo di tempo, fino anche a 2 volte la potenza apparente (S).
Un’ulteriore classificazione dei gruppi elettrogeni può essere fatta considerando la potenza che sono in grado di erogare:
Figura 5.1.5: taglia del gruppo elettrogeno in base alla potenza
Nel caso analizzato si andrà a considerare una taglia del G.E. medio piccola, visto la potenza convenzionale dell’impianto di cantiere.
5.1.3) Protezioni da contatti diretti e indiretti con l’utilizzo del gruppo elettrogeno
Si ha un contatto indiretto quando una persona entra in contatto con una massa o con una parte metallica che è andata in tensione a causa di un guasto all'isolamento principale. Si ha invece un contatto diretto quando si entra in contatto con una parte attiva dell'impianto.
1. Protezioni dalle sovracorrenti:
In un impianto elettrico, alimentato dalla sola rete elettrica, la corrente di cortocircuito dipende soprattutto dall’impedenza del circuito a monte nel punto di cortocircuito. In caso di connessione in BT prevale l’impedenza del generatore equivalente della rete pubblica, mentre in caso di collegamento in MT è essenzialmente l’impedenza del trasformatore di cabina.
A valle di un alternatore invece le cose cambiano dato l’impedenza di cortocircuito sarà fortemente influenzata dall’impedenza dell’alternatore stesso.
Normalmente tale impedenza varia molto durante il funzionamento del gruppo elettrogeno, ma soprattutto la corrente di cortocircuito assume valori minori, dato che l’impedenza interna dell’alternatore è maggiore di quella vista a monte del punto di connessione.
Ne consegue che il potere di interruzione degli interruttori normalmente scelti in base alla corrente di impiego di circuito sono adeguati, mentre il problema sorge nel caso di cortocircuito a fine impianto dove la corrente risulterà essere molto ridotta. A tal proposito inserendo una protezione da sovraccarico si assicura così anche l’interruzione di un eventuale piccolo cortocircuito a fine impianto.
2. Scelta del sistema di messa a terra TT, TN o IT del gruppo elettrogeno
La sicurezza delle persone nei confronti degli impianti alimentati tramite gruppo elettrogeno, specialmente per quanto concerne la protezione contro i contatti indiretti, deve essere affrontata tenendo conto delle particolari caratteristiche di questi generatori.
Il contatto indiretto è più subdolo del contatto diretto e ci si può difendere solo con specifici sistemi di protezione che possono essere (fig. 5.1.6):
• senza interruzione automatica dell'alimentazione (separazione elettrica o doppio isolamento);
• con interruzione automatica dell'alimentazione (sistema TT, TN e IT).
La protezione per separazione elettrica si adatta molto bene agli impianti
alimentati tramite gruppo elettrogeno, ma solo se i circuiti sono poco estesi. La protezione si realizza isolando da terra le parti attive di tutti i circuiti di alimentazione. In queste condizioni un guasto a massa non comporta alcun pericolo per la persona, perché la corrente di guasto, non essendo a terra alcun punto del circuito separato, non può richiudersi verso terra.
L'estensione dei circuiti aumenta la probabilità che si verifichi un primo guasto a terra su un polo del circuito e anche di un secondo guasto a terra sull'altro polo; in questo modo si renderebbe inefficace la protezione contro i contatti indiretti.
Inoltre, potrebbe aumentare la probabilità di più guasti verso terra attraverso delle apparecchiature.
Per ovviare al problema di sicurezza appena evidenziato, si devono collegare in equipotenzialità le masse (ad esclusione degli apparecchi di classe II nei quali l'eventuale involucro metallico non deve essere collegato al conduttore equipotenziale). Il conduttore equipotenziale trasforma il doppio guasto in un cortocircuito che viene rilevato e interrotto dalle protezioni di sovracorrente.
La protezione con interruzione automatica dell'alimentazione si adotta in
genere quando i gruppi elettrogeni sono ad installazione fissa, ma in generale per impianti più estesi o con più utilizzatori e può essere utilizzato indifferentemente uno dei tre sistemi TT, TN o IT.
In caso di commutazione dall’alimentazione ordinaria ad un G.E. per una parte di impianto o per tutti gli utilizzatori, si può scegliere di mantenere lo stesso tipo di sistema TT, TN o IT dell’alimentazione ordinaria, oppure si può cambiare con opportune accortezze. In presenza di alimentazione in BT è probabile che il sistema sia con messa a terra TT, con utenze già dotate di protezioni differenziali.
Per questo motivo si potrebbe realizzare un sistema TT anche con il gruppo elettrogeno, ma per fare questo occorrerebbe collegare il neutro dell’alternatore a un dispersore di terra diverso e separato da quello delle masse degli utilizzatori.
Per questo motivo è più conveniente collegare il neutro del generatore alla stessa terra delle masse e realizzare così un sistema di tipo TN-S (come si può osservare in figura 5.1.6 – sistema TN), evitando così di dover realizzare un nuovo dispersore di terra.
In questo modo, essendo i circuiti già protetti con interruttori differenziali, necessari nel funzionamento ordinario TT, si può sfruttare tale protezione per le piccole correnti di guasto verso terra, limitate dall’elevata impedenza interna dell’alternatore e dunque evitare che il guasto permanga per il non intervento dei normali interruttori automatici, i quali potrebbero avere una soglia d’ intervento troppo elevata.
Se invece la parte di impianto che il gruppo elettrogeno deve alimentare era in precedenza TN-S, si può mantenere tale sistema, assicurandosi però di controllare la presenza degli interruttori differenziali.
Se essi sono presenti sarà importante verificare le loro soglie di intervento, altrimenti sarà opportuno inserire tali protezioni.
Se siamo in presenza di un sistema di tipo TN-C (impianto con propria cabina di trasformazione MT/BT) nel caso di alimentazione ordinaria, può essere replicato anche con il G.E., ma durante la commutazione il conduttore neutro non deve essere mai interrotto. Esso infatti, in questa soluzione, è chiamato PEN, ed è un conduttore che ha le funzioni sia di neutro che di protezione.
5.1.4) Disposizione legislative
I gruppi elettrogeni prima di entrare in funzione devono sottostare ad alcuni iter legislativi, quali la richiesta dell’autorizzazione alla provincia per l’emissione di sostanze inquinanti fig. 5.1.7, la dichiarazione di conformità e il controllo di prevenzione antincendi che dovrà essere redatto nel caso in cui la potenza all’albero del gruppo elettrogeno è superiore ai 25 kW.
Figura 5.1.7: autorizzazione da parte della Provincia per l’emissione di sostanze inquinanti
5.2) Schema di allacciamento alla rete con il gruppo elettrogeno
in utenza passiva
Di seguito si riporta lo schema unifilare generale per la connessione dell’impianto di cantiere alla rete elettrica distributrice, nel caso in cui l’alimentazione sia garantita da quest’ultima e dal gruppo elettrogeno.
Figura 5.2.1: schema unifilare di connessione rete + G.E.
Nello schema di figura 5.2.1 si osserva la presenza di una logica di commutazione con interblocco elettrico, che agendo sui tasti B e C, garantisce una connessione di tipo passivo dell’utenza. Questo infatti permette che, all’entrata in servizio del gruppo elettrogeno, esso non vada mai in modo permanente in parallelo con la rete.
Il carico è stato diviso in due parti, LOAD 1 e LOAD 2. Nel normale funzionamento la rete elettrica alimenterà entrambi i carichi, ovvero tasto B sarà chiuso e C aperto. Non appena la potenza contrattuale di rete viene superata, il sistema di controllo darà il consenso all’avviamento al gruppo elettrogeno portandolo in giri; a questo punto comanderà la commutazione dei tasti, chiudendo prima C e poi aprendo B.
In questo modo, per un breve lasso di tempo, si rientra in una condizione di parallelo transitorio con la rete. Questo tipo di connessione è permessa, anche
nel caso di utenza passiva, a condizione che permanga per un tempo minore di 30 secondi in connessioni trifase, come stabilito dalla norma CEI 0-21 paragrafo 8.4.2 (Appendice A, sezione A.23).
Per quanto riguarda la connessione alla rete prevalente è stato riportato lo schema in figura 5.2.2, il quale mostra l’inserimento in derivazione a T su linea esistente con dispositivo di sezionamento verso l’utente, come definito nello schema C, del paragrafo 7 della norma CEI 0-21.
Figura 5.2.2: schema unifilare della connessione alla rete presso l’utenza Lo schema per la connessione è formato in due parti, che sono “impianto di rete presso l’utenza”, situato sul lato distributore ed è di sua competenza, e “impianto di utenza per la connessione” lato utenza passiva. La zona di suddivisione prende il nome di “punto di connessione”.
Sul lato distributore si ha la presenza del contatore di tipo unidirezionale per la misura dell’energia, come previsto in caso di utenza passiva; questo è dotato anche di limitatore di potenza come la norma CEI 0-21 impone in relazione alla taglia dell’impianto in gioco.
5.3) Logica di gestione
Prima di sviluppare un’analisi di dimensionamento, con criteri di ottimizzazione economica con l’utilizzo di un programma implementato con il software Matlab, è utile descrivere la logica di gestione ipotizzata.
I criteri di gestione riportati di seguito sono specifici per questa soluzione e si aggiungono a quelli generali del capitolo 2.
Il carico di un impianto di cantiere, che mantiene le caratteristiche descritte in precedenza, ha una richiesta di potenza molto gravosa non appena entra in funzione il sistema di sollevamento, costituito in questo caso dalla gru a torre di tabella 1.2.6.
Infatti, si può notare che nel diagramma di carico ipotizzato per il giorno tipo usuale (fig. 1.4.1), cioè quando l’uso della gru non è stato contemplato, la potenza al quarto d’ora non superi mai i 10-11 kW.
Si capisce quindi che un superamento di tale soglia è dovuto proprio al suo utilizzo.
Per questo motivo, nel programma che è stato implementato e che sarà riportato più avanti, si tiene di conto che, nella condizione in cui il carico assorba una potenza maggiore di quella contrattuale, il LOAD 2 (cioè quello con la possibilità di doppia alimentazione) dovrà essere almeno pari alla potenza della gru, che è chiamata Pisola.
Quest’ultima sarà considerata come somma delle potenze dovute alle movimentazioni contemporanee più usuali e più gravose; in particolare le due operazioni possibili a maggior assorbimento saranno traslazione e sollevamento, per un totale di 9,3 kW.
La contemporaneità del sollevamento e il cambio di angolazione del braccio (11,5 kW) non è stata ipotizzata possibile.
In aggiunta a quanto specificato, prima che il sistema di controllo commuti i tasti B e C (fig. 5.2.1), quindi separi il carico in L1 e L2, esso garantirà la messa in servizio del generatore portandolo in giri.
Questa operazione comporta inevitabilmente un lasso di tempo in cui il generatore funzionerà a vuoto, con un conseguente dispendio di carburante per produrre una potenza non adibita alla copertura del carico, ma consumata per le sole perdite.
Verrà tenuto di conto di questo considerando un tempo di avviamento del generatore di 2 minuti.
Non appena la potenza assorbita tornerà al di sotto della contrattuale, il sistema di controllo disattiverà il gruppo, impiegando un tempo stimato di un minuto durante il quale il generatore lavorerà a vuoto.
L’analisi di ottimo economico, con la soluzione rete più gruppo elettrogeno, verrà sviluppata considerando tre casi diversi:
a) con l’acquisto di un gruppo elettrogeno nuovo;
b) con la presenza di un gruppo elettrogeno di proprietà dell’impresa già ammortizzato in precedenza;
c) gruppo elettrogeno noleggiato.
Per quanto riguarda la vita del cantiere è stata ipotizzata una durata di 3 anni; inoltre è stato considerato che, tra la fine dei lavori e l’inizio di un nuovo impianto, trascorra un anno di inattività in cui non è necessario l’utilizzo del gruppo elettrogeno.
Questo sarà utile al momento della valutazione del valore residuo del G.E., considerando un periodo di ammortamento di 12 anni.
Per il calcolo dei Discount Cash Flow (DCF) per ogni anno di vita del cantiere si ipotizza che:
• Istante “0” spese di allacciamento alla rete, eventuale acquisto del gruppo elettrogeno e spesa per il carburante necessario per l’anno in corso;
• Istante “1” spesa per la fornitura dell’energia elettrica dalla rete per l’anno precedente, spesa per il carburante necessario per l’anno in corso, eventuale spesa per la manutenzione del G.E. o eventuale noleggio;
• Istante “2” uguale all’istante “1”;
• Istante “3” spesa per la fornitura dell’energia elettrica dalla rete per l’anno precedente, eventuale spesa per la manutenzione del G.E. o eventuale noleggio e valutazione del valore residuo dell’alternatore se acquistato all’istante “0”.
5.4) Diagrammi logici di flusso dell’algoritmo
Di seguito si riportano i diagrammi logici di flusso dell’algoritmo, i quali schematizzano i ragionamenti e la logica scelta e implementata nei programmi di calcolo, sviluppati per ricavare l’ottimale power energetico per alimentare l’impianto di cantiere.
Diagramma 5.4.1: Rete + Gruppo Elettrogeno
S T A R T
Prete < Ppicco?
?
Stima del carico installato
Calcolo della potenza convenzionale Divisione del diagramma di carico nei
3 giorni tipo, con i relativi pesi per tipologia e per anno Potenza max carico (Ppicco)
SI Ripartizione carico (Ppicco-Prete=Pdiff)
Pdiff≥Pisola ? SI PGE=Pdiff PGE=Pisola PGE = 0
BUSINESS PLAN
NPC Prete=Pdisp? Prete=1 Inserire la Potenza disponibile (Pdisp) dellarete nel punto di allacciamento Prete =Prete+1
NO
NPC ottimale; Prete.ott; PGE.ott Indicatori economici: tasso di attualizzazione, vita cantiere Indici di R ETE: spese allacciamento, spese es. rete
Indici del GE:
rendimento, prezzo gasolio, manutenzione NO NO SI Politica di gestione START
Da questo diagramma si può osservare che, una volta definito l’impianto di