Dimensionamento ottimo di sistemi per l'alimentazione elettrica di cantieri edili.

UNIVERSITA’ DI PISA

Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettrica

Tesi di Laurea Magistrale

DIMENSIONAMENTO OTTIMO DI SISTEMI PER

L'ALIMENTAZIONE ELETTRICA DI CANTIERI

EDILI

Candidati:

Leonardo BONANNI Francesco VENTURELLI

Relatore: Romano GIGLIOLI

Correlatore: Maurizio BARCAGLIONI

INDICE

INTRODUZIONE ... 6

CAPITOLO 1: Analisi del carico ... 9

1.1) Scelta della tipologia del cantiere ... 9

1.2) Descrizione e dati di targa dei possibili utilizzatori ... 11

1.3) Calcolo della potenza installata e della potenza convenzionale ... 16

1.4) Individuazione dei diagrammi di carico per i tre giorni tipo ... 18

1.5) Ipotesi di programmazione della vita del cantiere ... 22

CAPITOLO 2: Criteri di progetto ... 24

CAPITOLO 3: Tipologie di alimentazione ... 27

CAPITOLO 4: Valutazioni economiche e operative per utente attivo e passivo ... 29

4.1) Costi e tempistiche per utente attivo ... 29

4.2) Costi e tempistiche per utente passivo ... 34

4.3) Scelta della tipologia di allacciamento ... 38

CAPITOLO 5: Alimentazione da rete e integrazione con gruppo elettrogeno ... 39

5.1) Gruppi elettrogeni nei cantieri edili ... 39

5.2) Schema di allacciamento alla rete con il gruppo elettrogeno in utenza passiva ... 50

5.3) Logica di gestione ... 52

5.4) Diagrammi logici di flusso dell’algoritmo ... 53

5.5) Dimensionamento ottimo con il gruppo elettrogeno da ammortizzare 59 5.6) Dimensionamento ottimo con il gruppo elettrogeno già ammortizzato68 5.7) Dimensionamento ottimo con il gruppo elettrogeno noleggiato ... 70

5.8) Analisi dei risultati ... 72

5.8.1) Risultati del dimensionamento ottimo nei tre casi analizzati ... 73

5.8.2) Soluzione tecnica impiantistica con il dimensionamento ottimale 77 CAPITOLO 6: Alimentazione da rete e integrazione con sistema di accumulo dell’energia elettrica ... 79

6.1) Cenni su accumulatori elettrochimici ... 79

6.2) Schema di allacciamento alla rete con sistema di accumulo in utenza passiva ... 92

6.3) Logica di gestione ... 93

6.4) Diagrammi logici di flusso dell’algoritmo ... 95

6.5) Dimensionamento ottimo... 101

6.6) Analisi dei risultati ... 108

CAPITOLO 7: Confronto tra le due tipologie di alimentazione... 116

CAPITOLO 8: Conclusioni ... 119

APPENDICI ... 121

Appendice A: Estratto CEI 0-21 (Regola tecnica di riferimento per la connessione di Utenti attivi e passivi alle reti BT delle imprese distributrici di energia elettrica) ... 121

Appendice B: Allegato A del TICA (Testo Integrato delle Connessioni Attive)... 131

Appendice C: Estratto del TIC (Testo Integrato delle condizioni economiche per l’erogazione del servizio di Connessione) ... 134

BIBLIOGRAFIA ... 137

INTRODUZIONE

Il cantiere edile ha origini antichissime e nasce con la necessità dell’uomo di crearsi un riparo. L’approvvigionamento, l’accumulo e la lavorazione dei materiali prelevati dalla natura per costruire un rifugio, sono i primi passi della sua formazione. Già a partire dagli antichi egizi, osservando le monumentali opere da loro costruite, si hanno i primi spettacolari esempi di organizzazione del “cantiere”. Proseguendo poi con i Romani e con l’epoca Medioevale si può osservare un continuo sviluppo dei processi di lavorazione delle materie prime, atti alla costruzione di un prodotto finito utile alla comunità.

L’elemento dominante del cantiere di costruzione è infatti il processo di trasformazione dei materiali attraverso azioni orientate e finalizzate alla costruzione di “fabbricati”, cioè prodotti finiti che possono essere stati commissionati da singoli soggetti o da più persone. Considerando la definizione di Fabbrica/Industria cioè quel luogo dove tradizionalmente avviene la trasformazione fisica dei materiali, attraverso un processo manifatturiero, al fine di svolgere delle attività atte alla produzione di un bene o un servizio, è possibile considerare un cantiere come una tipologia particolare di “fabbrica”.

Nella storia l’industria è stata sempre caratterizzata da enormi e repentini sviluppi, sia per quanto riguarda i processi produttivi sia dal punto di vista tecnologico.

Basta pensare alla crescita avvenuta con la prima rivoluzione industriale o al progresso dell’industria siderurgica sviluppatosi in concomitanza alla Prima e Seconda guerra mondiale; fino ad arrivare ad oggi, dove grazie alla crescita dell’automazione, ad un apporto maggiore di sistemi informatici e a una meccanizzazione sempre più presente, l’industria ha raggiunto un notevole sviluppo.

Queste innovazioni introdotte recentemente stanno consentendo una maggiore efficienza dei processi, tempistiche ridotte e vantaggi economici sia in fase di lavorazione del bene sia in fase di vendita; inoltre si ha un accrescimento qualitativo del prodotto, delle condizioni di lavoro e della sicurezza degli operatori.

L’edilizia, invece, ha subito lenti processi evolutivi, in quanto è stata sempre caratterizzata da un’alta presenza di forza lavoro e poca meccanizzazione; questo ha portato a degli sviluppi tecnologici, ma non in ugual misura rispetto alle altre tipologie di industrie.

Per questo motivo il cantiere è il luogo dove possiamo trovare contemporaneamente modernità e tradizione, dove l’innovazione e le tecnologie più avanzate incontrano modalità esecutive e strumenti presenti da secoli.

Caratterizzato da processi produttivi e da un insieme di attività, organizzate e scandite in specifiche fasi, che portano a considerare il cantiere edile un ambiente di lavoro complesso e con elevata incertezza.

Complessità che, assieme alla durata limitata nel tempo e allo spazio di lavoro ben confinato nel luogo di costruzione dell’edificio/opera, delinea lo scenario che si presenta nel momento in cui si vuol prendere in analisi tale tipologia di “fabbrica”.

Sono proprio tali fattori che lo rendono un prodotto meritevole di attenzione nella logica di evoluzione tecnologica e organizzativa del panorama produttivo di riferimento.

Si può infatti pensare di apportare lo stesso processo di modernizzazione avvenuto già nelle altre tipologie di industrie, così da ottenere gli stessi miglioramenti e vantaggi economici riscontrati.

Studi e approfondimenti possono essere sviluppati in vari ambiti sia produttivi che di gestione delle attività lavorative del cantiere. Un settore che può essere degno d’analisi è quello riguardante la fornitura energetica.

Fino ad oggi sono state infatti mantenute le stesse tipologie di fonti energetiche e gestite con i medesimi criteri, non curandosi dello scenario in cui il cantiere sarà posto.

Infatti, l’ottimizzazione della produzione energetica può dipendere da vari fattori come: posizionamento della struttura di lavoro, tipologia di cantiere, tipo di alimentazione usata e di utilizzatori installati.

Ad esempio, l’utilizzo di un carico come un sistema di sollevamento può comportare un assorbimento di potenza ingente per un breve periodo di tempo, con conseguente richiesta di energia limitata.

Questo tipo di utilizzatore rispecchia la gestione e l’assorbimento energetico presente in un usuale cantiere edile, dove l’andamento del carico giornaliero risulta essere molto variabile, ma mantiene alcune caratteristiche che possono essere riscontrate anche variando la sua tipologia.

Tali peculiarità sono grandi quantità di potenze richieste, ma assorbimenti energetici relativamente bassi.

Per questo motivo può essere opportuno intraprendere lo studio di nuovi metodi di gestione delle fonti energetiche già usualmente utilizzate; ad esempio organizzare e migliorare l’alimentazione del cantiere in presenza della sola rete elettrica o con l’aggiunta di un gruppo elettrogeno.

In alternativa si possono valutare delle nuove tipologie di power energetico, come ad esempio l’utilizzo della rete affiancata ad un accumulo elettrochimico, così da analizzare le differenze tra tale scelta e un’alimentazione canonica.

Il presente elaborato si pone come obiettivo quello di dare delle direttive decisionali, con scelte di tipo economico, per l’individuazione del power energetico ottimale, secondo la tipologia del cantiere da implementare. Verranno analizzati e confrontati tra loro i risultati ottenuti attraverso il dimensionamento ottimo della fornitura elettrica per l’alimentazione di un ipotetico cantiere, utilizzando principalmente due tipologie di power diverse. Come prima tipologia di mix energetico sarà considerata la rete elettrica in concomitanza a un gruppo elettrogeno, così da valutare una tipologia di alimentazione già largamente utilizzata.

In un secondo momento sarà usata ancora la rete elettrica come fonte primaria, ma con l’aggiunta di un accumulo elettrochimico al posto dell’alternatore. In questo caso l’obiettivo è quello di analizzare un nuovo sistema energetico, che si sta affermando grazie all’utilizzo dei sempre più performanti storage elettrici.

CAPITOLO 1: Analisi del carico

Per poter eseguire un dimensionamento ottimo della fornitura energetica del cantiere occorre conoscere le sollecitazioni elettriche richieste.

Questo si traduce in un’analisi del carico installato, il quale dipenderà dalla tipologia e dalle dimensioni del cantiere.

Elemento fondamentale per eseguire delle valutazioni energetiche e per capire lo svolgimento delle attività giornaliere di un qualsiasi sistema è il diagramma di carico.

In mancanza di informazioni in letteratura riguardanti tali diagrammi per gli impianti di cantiere, è stato necessario ipotizzare un andamento del carico basandosi su fattori come: la conoscenza degli utilizzatori installati, considerazioni riguardanti le attività eseguite e la programmazione dei lavori. Di seguito verranno riportate tutte le ipotesi assunte e i passaggi svolti, al fine di determinare il diagramma di carico di un ipotetico cantiere, così da analizzare e in fine soddisfare la potenza e l’energia richiesta dagli utilizzatori.

1.1) Scelta della tipologia del cantiere

Per prima cosa sarà necessario individuare la tipologia del cantiere, in quanto ne esistono di vario genere.

Infatti, a seconda del numero di utilizzatori installati e dal loro utilizzo, che dipende dalle attività da svolgere, si possono suddividere in varie fasce di potenza.

Ad esempio, uno medio-piccolo, può prevedere utilizzatori come una gruetta, un piegaferro, una betoniera, e apparecchi portatili. In questo caso sarà sufficiente considerare una potenza da 10/15 kW con l’alimentazione di tipo monofase 220V o trifase 220/380V.

Nella tabella 1.1.1 sottostante sono riportate alcune tipologie di cantiere suddivise in base agli utilizzatori installati e quindi alla potenza necessaria.

Utilizzatori Taglia cantiere Pot. contrattuale Alimentazione

Tabella 1.1.1

Nel seguente elaborato si vuole prendere in considerazione un cantiere di media taglia, quindi in un range di potenza contrattuale che può andare dai 20 ai 30 kW.

Esempi pratici di tale tipologia possono essere quelli adibiti alla costruzione di condomini, di abitazioni medio/grandi (ville, villette a schiera), di capannoni industriali o ristrutturazioni di grossi edifici.

Considerando tale range di potenza dell’impianto e tenendo conto della tabella A.1 (appendice A), della norma CEI 0-21, si sceglie un collegamento alla rete di distribuzione in bassa tensione (BT) 400/230 V, con alimentazione trifase. Non è stata scelta una connessione monofase in quanto si ipotizza la presenza di motori asincroni di dimensioni considerevoli.

Mantenendo una connessione alla rete elettrica con potenza contrattuale inferiore ai 30 kW la norma CEI 0-21 paragrafo 7.3.1 dichiara che il distributore inserirà un limitatore di potenza che interverrà, interrompendo l’alimentazione, non appena la potenza scambiata superi quella sottoscritta alla stipula del contratto aumentata del 10%.

Così facendo si evita che al superamento della potenza contrattuale si debba pagare delle penali, come avviene invece nel caso di connessione con potenza maggiore di 30 kW, dove il distributore non installa un limitatore, ma un contatore di energia in grado di rilevare il massimo valore della potenza prelevata.

1.2) Descrizione e dati di targa dei possibili utilizzatori

Si elencano di seguito i vari utilizzatori installati nel cantiere ipotizzato e le loro caratteristiche.

➢ Betoniera:

Figura 1.2.1

Tabella 1.2.1: dati di targa betoniera

Si scelgono 3 betoniere TECH 300 con ribaltamento silenziato, con potenza installata complessiva di 4,5 kW.

Modello Potenza motore[W] Volume vasca[l] Capacità resa[l]

TECH 300 1491,4 W = 2 HP 300 250

➢ Macchina pulisci pannelli:

Figura 1.2.2

Tabella 1.2.2: dati di targa macchina pulisci pannelli

Di tali utilizzatori se ne considera uno soltanto, quindi 1 kW di potenza installata.

➢ Macchina piegaferro da cantiere:

Figura 1.2.3

Tabella 1.2.3: dati di targa macchina piegaferro

Si utilizzerà una sola macchina, con potenza installata di 2,24 kW. Modello Potenza motore[W] Capacità vasca[l] Dimensione pannelli 3P 80 Junior

950 40

spessore da 2 a 5cm altezza da 8 a 50cm

Modello Potenza motore[W] Numero barre R55 kg/mm^2 R65 kg/mm^2 R85 kg/mm^2

PFX 32 monofase _{2240W=3 HP 1--2--3 Φ=30--24--20 Φ=28--22--18 Φ=26--20--16} PFX 36 trifase 2240W= 3 HP 1--2--3 Φ=32--26--20 Φ=30--24--18 Φ=28--22--18

➢ Sega circolare da banco:

Figura 1.2.4

Tabella 1.2.4: dati di targa sega circolare

Si ipotizza l’istallazione di due seghe circolari da banco BKS 350, per una potenza installata complessiva di 5,4 kW.

➢ Intonacatrice:

Figura 1.2.5

Tabella 1.2.5: dati di targa intonacatrice

Di quest’ultima se ne installa una, per una potenza installata di 3 kW.

Modello Potenza motore[W] Diametro lama [mm] Rpm a vuoto max

BKS 350 2700 350 2710 rpm

KTS 140 COMBI 2000 250 2850 rpm

Modello Potenza motore[W] Capacità tramoggia[l] Lunghezza[mm]

per intonaco premiscelato CK

➢ Gru a torre:

Figura 1.2.6

Tabella 1.2.6: dati di targa gru a torre

Utilizzando una gru con i dati di targa come sopra riportati, si installa una potenza di 14,8 kW, data dalla somma delle potenze dei quattro motori che garantiscono tutti i possibili movimenti.

➢ Pompa da cantiere ad immersione:

Figura 1.2.7 Modello _{Motore rotazione}

[kW] Motore traslazione [kW] Motore sollevamento [kW] Motore angolo braccio[kW] Liebherr 22 HM _{1,5 1,8 7,5 4}

Tabella 1.2.7: dati di targa pompa

Si ipotizza di installare due pompe di queste descritte sopra per eventuali estrazioni di acqua e fango, sia in fase di scavo che in fase di messa in opera del cantiere; potenza totale installata 5,6 kW.

➢ Compressore:

Figura 1.2.8

Tabella 1.2.8: dati di targa compressore ➢ Montacarichi, elevatore da cantiere:

Figura 1.2.9

Tabella 1.2.9: dati di targa montacarichi

Modello Potenza motore [kW] Potenza resa[kW] Portata a 5 m [l/s]

Jumbo ABS 24

2,8 2,3 16

Modello Potenza motore [kW] Capacità serbatoio[l] Pressione max[bar] METABO

POWER 280-20 W OF

2,5 20 10

Modello Potenza motore [kW] Portata [kg] Altezza max [m]

➢ Utilizzatori elettrici portatili:

Tabella 1.2.10

Ipotizzando l’istallazione dei suddetti utilizzatori portatili la potenza complessiva è di 17,8 kW.

➢ Illuminazione di servizio:

È stata considerata una potenza installata di 3 kW per l’illuminazione sia interna che esterna al servizio del cantiere, utilizzabile durante il giorno per lo svolgimento dei lavori e durante la notte come illuminazione di sicurezza.

1.3) Calcolo della potenza installata e della potenza

convenzionale

Una volta determinato la tipologia e la taglia dei carichi installati nell’impianto di cantiere, si va a considerare la somma di tutti gli utilizzatori ipotizzati, così da ottenere una potenza installata complessiva di circa 61 kW. A questo punto è necessario determinare la potenza massima a cui può arrivare il carico, ovvero la cosiddetta potenza di picco, utilizzando gli opportuni fattori di correzione.

Quest’ultimi sono il fattore di utilizzazione e quello di contemporaneità, ricavabili da opportune tabelle dove il loro valore è riportato a seconda della tipologia di utenza.

Utilizzatore

Potenza [kW]

Numero

Mola piccola

Mola grande

Demolitore

Trapano tassellatore

Saldatrice monofase

Una tabella riassuntiva per alcune tipologie di carico è stata riportata di seguito:

Tabella 1.3.1: fattori di correzione per vari tipi di utenze Da qui si osserva che per i cantieri edili risultano essere:

▪ Fattore di utilizzazione: fu = 0,7;

▪ Fattore di contemporaneità: fc = 0,5.

Tenendo conto di questi, e moltiplicandoli proprio per la potenza installata ricavata in precedenza, è possibile determinare la così detta potenza

convenzionale (o potenza di picco), cioè la massima potenza di cui il cantiere

ha bisogno.

𝑃_{𝑝𝑖𝑐𝑐𝑜} = 𝑃_{𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎𝑡𝑎} ∗ 0,7 ∗ 0,5 = 21 𝑘𝑊 (1)

Tale valore di potenza sarà da tenere di conto nello sviluppo delle successive valutazioni, necessarie sia per quanto riguarda la scelta della connessione alla rete elettrica di distribuzione sia per il dimensionamento delle fonti energetiche.

1.4) Individuazione dei diagrammi di carico per i tre giorni tipo

Di seguito sono riportate le considerazioni e le ipotesi adottate per determinare un diagramma di carico quanto più veritiero possibile, così da rispecchiare adeguatamente un reale assorbimento giornaliero di energia di un impianto di cantiere.

Viene presa in considerazione un’impresa di costruzione che lavora sulle 8 ore giornaliere, con orario che va dalle ore 8:00 alle ore 12:00 e riprende dalle ore 13:00 fino alle 17:00, considerando quindi un’ora per la pausa pranzo. Per le ore notturne si è ipotizzato un carico di 3 kW dovuto all’illuminazione di sicurezza al servizio del cantiere, con accensione e spegnimento crepuscolare dalle ore 19:45 fino alle 7:00.

In aggiunta a tale carico notturno, in taluni casi, possono entrare in funzione pompe elettriche di emergenza per togliere eventuale fango e/o acque reflue, per una durata complessiva di circa un’ora.

La programmazione delle attività lavorative e la tipologia dei lavori da svolgere nel cantiere varieranno giorno per giorno e anno per anno.

In questo modo anche gli utilizzatori e i relativi assorbimenti energetici seguiranno le specifiche fasi lavorative e il susseguirsi dei processi produttivi. Per questo motivo non è stato considerato un solo tipo di diagramma di carico, ma ne sono stati presi in analisi tre diversi, così da simulare in modo più adeguato la richiesta energetica del carico che varierà a seconda delle principali attività svolte.

Si riportano quindi i tre diagrammi ipotizzati, con discretizzazione al quarto d’ora, rappresentativi del “giorno tipo usuale”, del “giorno tipo di carico

a) Diagramma di carico “giorno tipo usuale”:

Figura 1.4.1

Questo grafico rappresenta l’assorbimento energetico e l’andamento della potenza, così da simulare il fabbisogno del carico nei giorni lavorativi dove le operazioni da svolgere non prevedono l’utilizzo né di pompe per estrazione dell’acqua né del sistema di sollevamento a gru.

Cioè si va considerare il caso in cui il carico non presenterà rilevanti richieste di potenza e non risulterà essere molto gravoso.

La massima potenza assorbita ipotizzata con questo andamento risulta essere di 10 kW.

Inoltre, come si vede dal diagramma, nelle ore notturne non è previsto l’entrata in funzione delle pompe, ma rimarrà attiva la sola illuminazione di emergenza. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Po te n za car ic o [kW] Tempo [h]

b) Diagramma di carico “giorno tipo carico MAX”:

Figura 1.4.2

In questa situazione si può osservare la presenza di un carico più gravoso rispetto al caso precedente. Infatti, è stata considerata l’entrata in servizio delle pompe e della gru assieme agli altri utilizzatori, portando a una potenza di picco assorbita di 21 kW, ovvero la potenza convenzionale calcolata nel paragrafo 1.3.

Come si evince dal grafico, l’utilizzo della gru è la causa principale di elevate richieste di potenza; queste hanno però la particolarità di essere di breve durata e quindi con assorbimenti di energia limitati.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Pot e n za car ic o [kW] Tempo [h]

c) Diagramma di carico “giorno tipo festivo”:

Figura 1.4.3

L’ultimo diagramma considera il carico assorbito nei i giorni festivi, nei quali è ipotizzato l’utilizzo dell’alimentazione elettrica per la sola l’illuminazione di sicurezza e per le pompe di emergenza.

Quest’ultime possono entrare in funzione automaticamente con sensori di livello al momento del bisogno.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Pot e n za car ic o [kW] Tempo [h]

1.5) Ipotesi di programmazione della vita del cantiere

Un cantiere per costruzioni come quello in questione, rientra nelle tipologie di alimentazioni temporanee. Infatti, la normativa prevede un permesso edilizio, concesso all’impresa dalle autorità competenti, della durata di tre anni prorogabile fino a sei.

Per questo motivo il cantiere considerato avrà una durata lavorativa prevista di tre anni, durante i quali le operazioni da eseguire non saranno le stesse, ma dipenderanno dalla programmazione delle attività lavorative e dalle fasi realizzative della costruzione.

I diagrammi di carico precedentemente descritti saranno quindi ripetuti durante gli anni di vita del cantiere rispettando una specifica suddivisione così da seguire la programmazione delle lavorazioni ipotizzata.

È stato che i giorni lavorativi saranno dal lunedì al venerdì, quindi cinque alla settimana. Delle 52 settimane annuali ne sono state considerate lavorative 48, ovvero si tiene in conto di un mese di ferie in cui il cantiere sospenderà le attività.

In questo modo le giornate lavorative annuali risulteranno essere 240 e i giorni festivi 125.

La programmazione delle attività è stata ipotizzata nel seguente modo:

➢ Nel primo anno del cantiere saranno svolte le operazioni di allestimento dell’area di lavoro e si compiranno le operazioni di sbancamento e costruzione delle fondamenta. Inoltre, a fine anno, si inizierà ad erigere parti dell’edificio.

Per questo motivo si considera un uso della gru abbastanza limitato che porta a una quantizzazione dei giorni lavorativi di carico massimo, dovuti essenzialmente all’utilizzo di tale carico, di 40 all’anno; di conseguenza i restanti 200 giorni lavorativi risulteranno essere di carico usuale.

➢ Nel secondo anno proseguiranno le lavorazioni per portare a termine la costruzione e quindi stato ipotizzato un uso maggiore del sistema di sollevamento, per portare il materiale in zone più elevate. Quindi è stato considerato almeno 80 giorni di carico massimo, equivalenti a quattro mesi, con conseguenti 160 giorni di carico usuale.

➢ Per l’ultimo anno di vita del cantiere sono state considerate le operazioni di completamento dell’edificio come l’installazione dei vari impianti, rifiniture interne, infissi e pavimentazioni. Di conseguenza la gru non sarà più necessaria, ma eventualmente sarà sufficiente un montacarichi di piccole dimensioni. Queste considerazioni portano a definire nulli i giorni di carico massimo e ipotizzare i 240 giorni lavorativi come usuali.

In tabella 1.5.1 si riassumono le divisioni adottate per i “giorni tipo”, suddivise nei tre anni, le quali saranno utilizzate nei paragrafi successivi per le analisi energetiche.

1° anno 2° anno 3° anno

Dì carico massimo 40 80 0

Dì carico usuale 200 160 240

Dì carico festivo 125 125 125

CAPITOLO 2: Criteri di progetto

Una volta determinati i diagrammi di carico e gli assorbimenti di potenza degli utilizzatori è fondamentale andare a definire i criteri di progetto scelti e implementati nella ricerca del dimensionamento ottimo delle fonti energetiche, le quali sopperiranno al fabbisogno del carico.

Tali scelte progettuali riportate di seguito, verranno tenute di conto per tutte le tipologie di alimentazioni considerate e descritte successivamente.

A. INSEGUIMENTO DEL CARICO

Il primo criterio scelto consiste nel considerare un sistema di alimentazione ad inseguimento del carico, cioè la generazione dovrà essere in grado di soddisfare ogni sua richiesta.

Per questo motivo la somma delle potenze installate delle varie fonti energetiche dovrà essere almeno uguale al picco di carico ipotizzato, ovvero i 21 kW che si raggiungono nel giorno tipo più gravoso.

Pgenerazione ≥ Ppicco (2)

Se il carico rimane al di sotto di tale potenza convenzionale sarà garantita la copertura del carico e quindi l’assenza di energia non fornita.

B. PRESENZA DELLA RETE

Per ogni tipologia di power energetico scelto è stata considerata la presenza della rete.

Non è stato valutato il caso in cui il carico sia in isola e quindi alimentato da un’altra fonte energetica alternativa.

C. RIPARTIZIONE DEL CARICO

Accurata la presenza della rete prevalente, il carico può essere alimentato esclusivamente da questa, oppure assieme ad ulteriori fonti energetiche quando la potenza contrattuale è minore di quella di picco, in accordo al criterio A.

Nel secondo caso è importante stabilire un metodo di suddivisione del carico, così da poter ricavare l’energia erogata con l’una o con l’altra fonte.

Ad esempio, se si considera la rete con l’aggiunta di un gruppo elettrogeno, la ripartizione può seguire due logiche di gestione diverse:

a) Rete esercita ad erogazione costante con gruppo a supporto; in questo caso la rete è sfruttata fino al massimo e il gruppo elettrogeno coprirà le sole richieste superiori alla potenza contrattuale.

b) Gruppo a erogazione costante con rete di supporto; è il caso in cui la rete coprirà i picchi di carico al superamento della potenza nominale del generatore.

Nel seguente trattato, per tutte le tipologie di alimentazioni valutate, sarà adottato il primo criterio, quindi si utilizzerà la rete al pieno delle sue disponibilità, ovvero fino alla potenza contrattuale.

Quando il carico supererà quest’ultima inizierà ad erogare anche l’altra fonte a supporto.

Questa scelta è stata adottata in previsione delle tipologie di alimentazioni valutate e riportate nei paragrafi successivi. Infatti, con l’utilizzo ad esempio di un gruppo elettrogeno, scegliendo il caso b, si avrebbero notevoli problemi di inquinamento e rumorosità.

Allo stesso modo utilizzando come seconda fonte energetica un accumulatore elettrochimico la casistica b non può essere adottata, in quanto non potrà essere ricaricato dalla rete.

Per garantire tale ripartizione del carico si può ipotizzare l’installazione di un tasto di consenso sui carichi più gravosi, come ad esempio il sistema di sollevamento a gru. È infatti probabile che il superamento della potenza di rete sia dovuto proprio all’entrata in servizio di tali carichi.

Quando l’operatore premerà il pulsante, verrà inviato un segnale ad un sistema di controllo che, verificato il superamento della potenza contrattuale, avvierà la seconda fonte energetica (ad esempio un gruppo elettrogeno).

D. NORMALE FUNZIONAMENTO

Nel progetto verrà presa in considerazione l’alimentazione del carico di cantiere soltanto per condizioni di normale funzionamento.

Non verrà infatti analizzata la situazione di emergenza, ovvero quando viene a mancare la rete prevalente o in presenza di un guasto sull’impianto.

Questa scelta è stata presa poiché, essendo un impianto di cantiere, non ci sono grossi problemi di safety legati alla fornitura elettrica.

Inoltre, la mancata alimentazione per brevi periodi di tempo non porta a elevate perdite economiche.

E. RICERCA DELL’OTTIMO

L’obiettivo dell’ottimizzazione sarà quello di minimizzare una funzione costo, così da dimensionare in modo ottimale il power energetico preso in analisi.

Tale funzione sarà chiamata NPC (Net Present Cost), ovvero la somma dei costi sostenuti nell’intera vita del cantiere, attualizzati all’istante di inizio delle attività lavorative, per soddisfare la richiesta di energia elettrica. Una volta definite le sollecitazioni e quindi gli assorbimenti energetici del cantiere, la funzione analizzata dipenderà da alcuni fattori.

Ad esempio, sarà legata alla tipologia di alimentazione utilizzata, al punto di installazione dell’impianto e chiaramente alle taglie delle fonti energetiche.

min 𝑁𝑃𝐶 (𝑋₁, 𝑋₂, … . . , 𝑋_𝑛, Ᾱ₁, Ᾱ₂, … . , Ᾱ_𝑛)

L’obiettivo è quindi la minimizzazione della funzione costo dipendente da variabili Xi che possono cambiare e da altre Ᾱi che invece risultano fissate.

Definita la tipologia di alimentazione, fissato il punto di installazione e quindi la potenza disponibile, si varierà la potenza contrattuale di rete da 1 kW fino alla massima raggiungibile.

Di conseguenza, ad ogni iterazione, si ricava la taglia della seconda fonte energetica in modo che rispetti il criterio A.

Si otterranno così tante funzioni di costo quante sono le iterazioni; ricavando il minimo valore di queste, si otterrà il dimensionamento ottimo della tipologia di power analizzata, per la potenza disponibile fissata.

Variando il punto di collegamento alla rete prevalente potrà variare il punto di ottimo.

CAPITOLO 3: Tipologie di alimentazione

L’alimentazione del carico di cantiere può essere affrontata con diversi sistemi di power energetico e con diversi metodi di gestione.

Oggigiorno alcune tipologie di fornitura vengono usate più frequentemente; ad esempio è preferito l’uso della sola rete elettrica in zone urbane, oppure del solo gruppo elettrogeno per carichi in isola laddove la rete è assente; altri sistemi di alimentazione invece possono considerare l’impiego di più fonti. Di seguito è stato riportato uno schema riassuntivo, che illustra alcune tipologie di fonti energetiche, talune già utilizzate e altre in fase di studio, per l’alimentazione dell’impianto di cantiere.

Di queste possibili scelte non verranno prese in considerazione la B e la D per i criteri di progetto adottati e descritti nel capitolo 2, in quanto non contemplano l’allacciamento alla rete.

Per quanto riguarda invece la tipologia di alimentazione C, cioè quando oltre alla rete si ha la presenza di un’ulteriore fonte energetica, è possibile scegliere tra allacciamento in Utenza attiva o passiva.

Nel primo caso la fonte energetica supplementare è collegata in parallelo permanente alla rete elettrica e l’impianto ha la possibilità sia di assorbire sia di erogare energia in rete. Il collegamento avverrà con un contatore bidirezionale e l’energia immessa verrà venduta al distributore al prezzo stabilito dal mercato.

Con l’Utenza passiva invece l’impianto può soltanto assorbire energia e non è contemplato il funzionamento in parallelo tra le due fonti.

L’unica eccezione si riscontra nel caso in cui, dopo previo accordo con il distributore, è concesso il funzionamento di breve durata in parallelo (parallelo transitorio), come definito dalla norma CEI 0-21 riportata in

Appendice A.

Nel capitolo successivo verranno riportati i criteri e le logiche adottate per prendere tale scelta e quindi decidere se l’impianto di cantiere in analisi avrà un collegamento in Utenza passiva o attiva.

Successivamente verranno prese in considerazione due delle tipologie di alimentazione riportate nel ramo C dello schema precedente, così da procedere con il dimensionamento ottimo delle fonti energetiche in questione. Le due tipologie analizzate saranno:

➢ RETE con GRUPPO ELETTROGENO a supporto;

➢ RETE con ACCUMULO ELETTROCHIMICO a supporto.

La prima soluzione viene valutata per tener di conto di una tipologia ad oggi già utilizzata nei cantieri, ma con l’obiettivo di trovare una gestione e un dimensionamento migliore, così da raggiungere un ottimo economico.

La seconda casistica è stata invece presa in considerazione in quanto è una nuova soluzione in fase di studio dove è previsto l’utilizzo degli accumulatori. Quest’ultimi stanno avendo una enorme diffusione in vari campi, spinti dalle prestazioni sempre più performanti e da prezzi sempre più accessibili.

CAPITOLO 4: Valutazioni economiche e operative

per utente attivo e passivo

Si procede quindi alla valutazione del tipo di connessione con la rete elettrica, ovvero individuare la scelta migliore tra le due opzioni possibili:

• Utente attivo • Utente passivo

Le due tipologie comportano ovviamente diverse tempistiche burocratiche e diversi oneri riguardanti la connessione dell’impianto; la scelta sarà eseguita considerando proprio questi due aspetti.

4.1) Costi e tempistiche per utente attivo

Prevedendo di alimentare l’impianto di cantiere attraverso due tipologie di power energetico, quali rete più gruppo elettrogeno o rete più accumulo elettrochimico, non si rientra nelle tipologie di alimentazioni da fonti rinnovabili o cogenerazione ad alto rendimento.

Quest’ultime sono regolamentate dall’articolo 12 del TICA, come descritto nell’Appendice B, mentre le fonti energetiche ipotizzate nel seguente trattato sono prese in considerazione nell’articolo 13 dello stesso.

Questo spiega come valutare gli oneri di connessione per utente attivo ed è di seguito citato:

“Il corrispettivo per la connessione è pari al massimo tra il corrispettivo di

cui all’articolo 12 e il costo individuato nella STMG (Soluzione Tecnica Minima Generale) ai sensi del comma 8.3 lettera c.”

Per quanto riguarda la tipologia di connessione, si ipotizza di compiere un inserimento in derivazione a T su una linea esistente con dispositivo di sezionamento verso l’utente, come definito nello schema C, del paragrafo 7, della norma CEI 0-21 e riportata al paragrafo A.17. Questa comporta inevitabilmente la realizzazione di un nuovo tratto di linea BT, così come raffigurato in figura D-1 della guida Enel Distribuzione di dicembre 2011 e riportato qui sotto.

Figura 4.1.1: soluzione tecnica di connessione in derivazione da nodo esistente con realizzazione di un nuovo tratto di linea BT

Per determinare i costi di realizzazione della nuova fornitura richiesta si fa riferimento adesso alla STMG e più precisamente alla sezione I (“Tempi e costi medi di realizzazione”) della guida Enel.

Non sapendo ovviamente dove sarà collocato l’eventuale cantiere da realizzare rispetto al nodo esistente più vicino, si vanno a fare varie ipotesi di lunghezza del cavo di collegamento, per poi poterle confrontare con le stesse casistiche in caso di utenza passiva:

1) Linea con lunghezza di 500 m in cavo in aria (soluzione per esempio per ambienti periferici);

2) Linea con lunghezza di 300 m in cavo in aria;

3) Linea con lunghezza di 200 m in cavo interrato (soluzione tipica per ambienti urbani o centri storici);

I costi riguardanti la linea stessa sono riportati in tabella sottostante:

Tabella 4.1.1: corrispettivi per impianti di rete per la connessione in BT Oltre a questa spesa bisogna considerare anche i costi per la servitù, i quali sono regolamentati sempre dalla stessa guida Enel al paragrafo K. Si ipotizza di rimanere con la servitù su terreno edificabile, e quindi gli importi sono quelli riportati in tabella 4.1.2.

Tabella 4.1.2: formula per la determinazione del corrispettivo per la servitù In quest’ultima espressione “L” sta per la lunghezza della linea espressa in metri.

Inoltre, a questi costi, si devono aggiungere ulteriori 100 € per la realizzazione del preventivo da parte del distributore.

Il costo totale per le ipotesi fatte e per le casistiche considerate sarà quindi: 1) Con cavo in aria 500m:

2) Con cavo in aria 300m:

0,3 ∗ 28000 + 600 + 0,7 ∗ 300 + 100 = 9310 € (4) 3) Con cavo interrato 200m:

0,2 ∗ 45000 + 600 + 0,7 ∗ 200 + 100 = 9840€ (5) 4) Con cavo interrato 100m:

0,1 ∗ 45000 + 600 + 0,7 ∗ 100 + 100 = 5270 € (6) Come indicato dall’articolo 13 del TICA, tali risultati vanno confrontati con il corrispettivo dovuto per la connessione descritto dall’articolo 12, riguardante l’alimentazione da fonti rinnovabili:

A= CPA ⋅ P + CM A ⋅ P ⋅ DA +100 (7)

B= CPB ⋅ P + CM B ⋅ P ⋅ DB + 6000 (8)

Il corrispettivo espresso in euro sarà il minor valore ottenuto utilizzando le due espressioni riportate qui sopra, considerando:

• CPA = 35 €/kW; CMA = 90 €/(kW⋅km); CPB = 4 €/kW; CMB =7,5

€/(kW⋅km);

• P= potenza ai fini della connessione di cui al comma 1.1, lettera z),

espressa in kW;

• DA = distanza in linea d’aria tra il punto di connessione e la più vicina

cabina di trasformazione media/bassa tensione del gestore di rete in servizio da almeno 5 (cinque) anni, espressa in km con due cifre decimali;

• DB = distanza in linea d’aria tra il punto di connessione e la più vicina

stazione di trasformazione alta/media tensione del gestore di rete in servizio da almeno 5 (cinque) anni, espressa in km con due cifre decimali.

Si ricorda che, come specifica la norma, in caso di una nuova connessione con cavo interrato i coefficienti CM devono essere moltiplicati per “2”.

Considerando una potenza “P” ai fini della connessione di 21 kW, pari alla potenza convenzionale dell’impianto, e tenendo di conto delle casistiche precedentemente ipotizzate, il costo per la connessione sarà:

(NB: viene riportata solo l’equazione A in quanto è ipotizzata per l’equazione B una lunghezza del cavo fino alla cabina di trasformazione AT/MT di almeno 500 metri, comportando un costo più elevato rispetto al caso A.)

1) Con cavo in aria 500 m:

𝐴 = 35 ∗ 21 + 90 ∗ 21 ∗ 0,5 + 100 = 1780 € (9) 2) Con cavo in aria 300 m:

𝐴 = 35 ∗ 21 + 90 ∗ 21 ∗ 0,3 + 100 = 1402 € (10) 3) Con cavo interrato 200 m:

𝐴 = 35 ∗ 21 + 2 ∗ 90 ∗ 21 ∗ 0,2 + 100 = 1591 € (11) 4) Con cavo interrato 100 m:

𝐴 = 35 ∗ 21 + 2 ∗ 90 ∗ 21 ∗ 0,1 + 100 = 1213 € (12) Un ulteriore importo da pagare sono 100 € per la realizzazione del preventivo da parte del distributore.

Alla luce di quanto detto, con le ipotesi considerate e con le potenze in gioco, prevalgono i costi individuati attraverso la Soluzione Tecnica Minima

Generale (STMG) rispetto a quelli calcolati con l’articolo 12 del TICA.

Visto che l’articolo 13 dello stesso impone di prendere il massimo tra i due corrispettivi, si riportano qui di seguito i costi per la connessione:

Cavo in aria 500m Cavo in aria 400m Cavo interrato 200m Cavo interrato 100m

15050 € 9310 € 9840€ 5270 €

Tabella 4.1.3: costi per la connessione alla rete distributrice con utenza attiva Un altro aspetto da considerare, riguardo alla scelta del tipo di connessione da adottare, è la tempistica. Infatti, a seconda del tipo di connessione e di impianto, si necessita di tempistiche ben diverse, che vanno dalla

formulazione del preventivo fino al termine dei lavori per la messa in opera del collegamento alla rete elettrica.

Di seguito si riporta alcuni estratti dall’allegato A del TICA titolo I, che considerano solo alcuni iter burocratici da considerare nella messa in opera per una connessione di un’utenza attiva.

-(Paragrafo 7.1) Il tempo minimo per la messa a disposizione del preventivo per la connessione (tempo che intercorre tra la data di ricevimento della richiesta di connessione e la data di messa a disposizione del preventivo per la connessione) è 20 giorni lavorativi per potenze minori di 100 kW. Si dovranno aggiungere ulteriori 15 giorni se è previsto un rifacimento o modifiche delle linee elettriche e ulteriori ritardi in caso di sopralluoghi.

Si dovranno considerare altri 30 giorni lavorativi per il tempo necessario alla validazione del progetto da parte del gestore di rete e eventuali ritardi dovute a modifiche e cambiamenti al progetto.

-(Paragrafo 10) Il tempo per la messa in opera della connessione in caso di lavori semplici si aggira attorno ai 30 giorni lavorativi, mentre nel caso di lavori complessi si arriva ai 60 giorni.

NB: I calcoli eseguiti per la determinazione del corrispettivo da pagare per la connessione, valgono sia in caso di alimentazione con il G.E, sia nel caso di utilizzo dell’accumulo elettrochimico. Infatti, si riporta di seguito, quanto descritto nel paragrafo 38.bis del titolo (IV) del TICA:

“Ai fini dell’applicazione del presente provvedimento, un sistema di accumulo

è considerato come un impianto (o un gruppo di generazione di un impianto) di produzione alimentato da fonti non rinnovabili”.

4.2) Costi e tempistiche per utente passivo

Si va adesso a stimare i costi per l’allacciamento alla rete elettrica in caso di utenza passiva, così poi da confrontare quest’ultimi con quelli determinati nel paragrafo precedente.

In questo caso si fa riferimento al TIC (Testo Integrato delle condizioni

economiche per l’erogazione del servizio di Connessione) considerando

Questo, nell’articolo 20.1, indica la procedura di determinazione del costo per impianti di tipo temporanei con potenze inferiori ai 40 kW, con distanza minore di 20m dal punto di connessione e che non comporti la realizzazione di una nuova cabina MT/BT.

I corrispettivi da applicare in questo caso sono:

Tabella 4.2.1

In più all’importo considerato di 148,30€ (ipotizzato senza attraversamento stradale) si deve considerare ulteriori 26,48€ per la copertura degli oneri amministrativi, per un importo totale di 174,78€.

Nei casi però analizzati in precedenza con la connessione di utente attivo, si è ipotizzato un inserimento in derivazione a T su una linea esistente con cavo di collegamento che supera i 20 m.

Per questo motivo si dovrebbe considerare l’articolo 21.1 del TIC, il quale indica che il corrispettivo per la connessione è determinato sulla base della spesa relativa che l’impresa distributrice presenta nel preventivo proposto al cliente.

Non avendo a disposizione un possibile preventivo, al fine di avere un’indicazione sul costo di connessione veritiero, si decide di attenersi all’articolo 11 del TIC; esso indica la procedura per il calcolo dei corrispettivi per connessioni permanenti ordinarie in bassa tensione.

In questo caso la tabella del TIC (2016-2019) da considerare è la numero “1”, riportata di seguito:

Tabella 4.2.1: Contributi per la realizzazione di connessioni permanenti ordinarie in bassa tensione

Il costo per la connessione è dovuto quindi a una quota distanza e a una quota potenza e in più si deve aggiungere una quota fissa a copertura di oneri amministrativi, che nell’anno 2017 ammonta a 26,48€ (Tabella 2 del TIC). Considerando quindi una potenza di 21 kW e i casi analizzati in precedenza, cavo di connessione lungo 500-300 metri in aria e 200-100 in cavo interrato, i costi per la connessione come utenza passiva sono i seguenti:

1) Con cavo in aria 500 m:

(185,03 + 92,75 ∗ 3) + (69,57 ∗ 21) + 26,48 = 1950,73 € (13) 2) Con cavo in aria 300 m:

3) Con cavo interrato 200 m:

(185,03) + (69,57 ∗ 21) + 26,48 = 1672,48 € (15) 4) Con cavo interrato 100 m:

(185,03) + (69,57 ∗ 21) + 26,48 = 1672,48 € (16) Anche in questo caso si dovrà aggiungere un importo di 100 € a copertura delle spese di preventivo da parte del distributore.

In conclusione, per l’utenza passiva, si ha:

Cavo in aria 500m Cavo in aria 400m Cavo interrato 200m Cavo interrato 100m

2050,73 € 1865,23 € 1772,48 € 1772,48 €

Tabella 4.2.2: costi per la connessione alla rete distributrice con utenza

passiva

Per quanto riguarda le tempistiche necessarie per la realizzazione di una connessione di utenza passiva dipendono ovviamente dalla potenza richiesta dall’impianto temporaneo e dalla distanza dal punto di connessione più vicino.

Una volta inoltrata l'accettazione del preventivo proposto, per potenze inferiori ai 40 kW e con una distanza massima inferiore ai 20 metri dagli impianti di rete permanenti esistenti, sono previsti dai 5 ai 10 giorni lavorativi.

Nel caso in cui si superino i 40 kW di potenza disponibile e/o si abbia una distanza massima del cavo di collegamento superiore ai 20 m, si può arrivare ai 20 giorni lavorativi; nel caso in cui il lavoro da svolgere sia più complesso si possono raggiungere anche i 30 giorni.

4.3) Scelta della tipologia di allacciamento

Osservando i costi per l’allacciamento ottenuti per Utente attivo e per Utente passivo nei due paragrafi precedenti, si può notare che i contributi dovuti all’ente per la distribuzione dell’energia elettrica sono molto più onerosi nel primo caso.

Inoltre, analizzando le tempistiche necessarie nelle due soluzioni, quelle per Utente attivo sono considerevoli in relazione alla vita temporanea del cantiere, che di solito si aggira attorno ai 3 anni estendibile fino a un massimo di 6, come definito dalle norme.

Per questi due motivi la scelta più ovvia e sensata da adottare per il cantiere è quella di effettuare un collegamento alla rete prevalente come Utente passivo. In particolare, per il cantiere analizzato nel seguente trattato, è scelta una connessione passiva con cavo in derivazione a T da nodo esistente con lunghezza massima di 200 metri.

Quindi si riportano in tabella 4.3.1 i costi necessari per l’allacciamento alla rete:

Oneri amministrativi 26,48 €

Quota distanza dal nodo di coll. 185,03 €

Quota per kW impegnato 69,57 €/kW

Quota preventivo 100 €

CAPITOLO 5: Alimentazione da rete e integrazione

con gruppo elettrogeno

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

=

√3∗𝑈∗0,8

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 𝐼_𝑛.

Quindi un motore elettrico assorbirà una potenza apparente pari a: 𝑆_𝑎𝑣𝑣 = √3 ∗ 𝑈 ∗ 𝑘 ∗ 𝐼𝑛_𝑔𝑟𝑢 (18)

con k = 4 ÷ 6 La potenza assorbita dall’asincrono della gru sarà:

𝑃_{𝑛_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

= 𝑘

𝜂 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.