Ai miei genitori
Introduzione
In passato solo le piccole imbarcazioni da diporto venivano costruite in materiale composito, ma con l'evolversi delle tecniche costruttive e delle tipologie di materiali impiegati, tale utilizzo è stato allargato a quelle di grandi dimensioni. È possibile che tale materiale venga, in futuro, impiegato per imbarcazioni non da diporto, che finora sono state prevalemtemente costruite in acciaio.
È da precisare che il termine “imbarcazione da diporto”, viene indifferentemente usato anche per indicare le "navi" da diporto, in contrasto con quanto specificato nella legge n° 50 del 11 febbraio 1971, in cui si definisce propriamente "nave da diporto", quella imbarcazione di lunghezza compresa tra i 24 ed i 50 m.
Il termine "materiale composito" indica la combinazione di più materiali utilizzati per la costruzione dello scafo. Esistono molti materiali di costruzione, che si possono definire compositi: fra questi il più usato è la composizione di fibra di vetro e resina (costituito da più fogli di fibra di vetro legati insieme da colate di resina).
Oltre a questo ci sono materiali costituiti dalla combinazione di altre fibre con resine (fibre di carbonio, di kevlar, ecc.).
I materiali compositi sono caratterizzati da una scarsa conducibilità elettrica. Ciò introduce una nuova problematica per le costruzioni navali, in quanto lo scafo metallico è stato sempre usato come “massa” per l’impianto elettrico. La definizione di "massa" derivava dal fatto di poter usare lo scafo metallico, come riferimento di potenziale per gli impianti elettrici.
Nel tempo la potenza e la complessità dei sistemi elettrici di bordo sono notevolmente aumentati, divenendo indispensabili per la navigazione e la manovrabilità della nave.
La legge n°50 del 11 febbraio 1971 stabilisce che l'uso delle navi da diporto debba essere esclusivamente ad uso sportivo o ricreativo. Ciò comporta che i passeggeri della nave, nella fase di progetto dell'impianto elettrico, vanno considerati come soggetti non consapevoli dei rischi derivanti dall'energia elettrica, ad esclusione di alcuini membri dell'equipaggio che devono avere delle conoscenze specifiche in merito (come il capitano o il responsabile della sala macchine).
Nelle imbarcazioni in materiale metallico lo scafo svolge le funzione di dispersore a mare per l’impianto elettrico, di dispersore e di captatore per il sistema di protezione dai fulmini.
Tali funzioni ovviamente non possono essere svolte da uno scafo in materiale composito, per cui è necessario, per tali imbarcazioni, l'installazione di un'apposito dispersore a mare per l'impianto elettrico ed un sistema completo per la protezione dalle scariche atmosferiche. Con l'introduzione di questi elementi, il concetto di "massa" perde il suo significato nell'accezione classica del termine. Infati in questa tesi si è sperimentato l'adozione del concetto di "terra" anche in ambito navale; dove si definisce “terra” la massa d'acqua (di mare) presa convenzionalmente come riferimento di potenziale. In questo modo il sistema elettrico, per imbarcazioni con scafo in materiale composito, può assumere particolare affinità con gli impianti elettrici terrestri.
Tale affinità è ulteriormente rafforzata dall'utilizzo a bordo di molti dispositivi elettrici ed elettronici, di tipo commerciale e di uso domestico. Ciò comporta delle difficoltà per il rispetto di alcuni criteri dettati dalle norme navali:
• le norme navali si riferiscono soprattuto alle grandi navi commerciali, piuttosto che a
quelle da diporto;
• gli impianti elettrici di bordo sulle navi da diporto sono evoluti, aumentando la loro
complessità, con carichi per il confort e l'intrattenimento dei passeggeri che spesso, non trattati dalle norme, superano come potenza elettrica i carichi essenziali;
• molte delle utenze elettriche (soprattuto quelle di intrattenimento), sono di tipo
commerciale ad uso domestico e non progettate e costruite per l'ambente navale;
• la costruzione di navi in materiale composito, è una tecnologia recente e non adottata da
tutti i costruttori.
Gli operatori del settore navale sono particolarmente legati a soluzioni consolidate e dimostratesi affidabili nel tempo, pur se tecnologicamente obsolete.
È anche per questi motivi che le piccole imbarcazione da diporto hanno uno scafo prevalentemente costruito in materiale composito, mentre le navi da diporto (con lughezza da 30 a 45 m) sono quasi esclusivamente con scafo metallico.
Le normative terrestri possono fornire degli spunti per la progettazione del sistema elettrico di bordo di una nave, anche se non soddisfano tutti i requisiti.
Infatti vi sono delle differenza sostanziali fra un sistema elettrico di bordo e quello terrestre, come di seguito brevemente elencate.
• In un sistema elettrico di bordo è necessario distinguere tra carichi essenziali e quelli non
essenziali.
I carichi essenziali sono indispensabili per la sicurezza dell’imbarcazione, come i sistemi di comando dei timoni, quelli di controllo dei motori, quelli di controllo delle pinne
stabilizzatrici, quelli antincendio e quelli di comunicazione e aiuto alla navigazione. A questi carichi è necessario garantire la continuità di alimentazione elettrica anche in condizioni estreme e di emergenza.
• Molti dei comandi per la navigazione, tradizionalmente meccanici, sono stati sostituiti da
azionamenti elettrici, con conseguente necessità di alimentazione elettrica.
• L'ambiente navale è particolarmente rischioso dal punto di vista elettrico, basti pensare
alle utenze elettriche installate all’esterno, sul ponte superiore o in hangar, che possono essere bagnate dalle onde, oppure al caso di formazione di depositi salini, che originano correnti di dispersioni, oppure alla resistenza di contatto del corpo umano verso “terra”, che può assumere valori bassissimi, soprattuto in giornate molto umide.
• Gli impianti terrestri sono alimentati da una rete prevalente, con grande potenza di
cortocircuito, mentre il sistema di bordo è un sistema isolato (quando la nave non è attraccata in banchina), alimentato da generatori di bordo con potenza limitata.
Quindi nella progettazione dei sistemi di protezione delle linee elettriche va tenuto conto del fatto che un guasto su un carico (magari non essenziale) non deve comportare un blackout dell'intera nave.
Nelle scelte progettuali è necessario tener conto anche delle condizioni operative della nave. Si può fare una suddivisione delle condizioni operative in funzione dell’importanza per la continuità dell’alimentazione che è necessario garantire:
• nave in manovra in porto o in condizioni di navigazioni difficili; • nave in navigazione in mare aperto (in condizioni normali); • nave attraccata in porto.
La prima condizione operativa è quella che richiede la massima affidabilità dell’alimentazione per i carichi essenziali, tanto da prevedere dei sistemi che permettono la disalimentazione dei carichi non essenziali, in particolare di quelli con grande potenza elettrica.
La seconda non costituisce una condizione di grave rischio ma deve essere sempre assicurata l'alimentazione ai carichi essenziali.
L’ultima condizione operativa è quella per cui al sistema elettrico è richiesta la minore affidabiltà, in quanto un blackout temporaneo non comporta grandi rischi per l’imbarcazione e per le persone a bordo.
Una problematica nuova introdotta dalla costruzione degli scafi in materiale non metallico è costituita dalla protezione dalle scariche atmosferiche.
Infatti una nave con scafo in materiale metallico si può ritenere “intrinsecamente sicura”, in quanto è lo scafo stesso a svolgere la funzione di captatore, di conduttore di discesa e di
dispersore. Nel caso di una nave in materiale non metallico è necessario provvedere ad un completo sistema per la protezione dalle scariche atmosferiche.
Un'ulteriore complicazione nella progettazione di un sistema elettrico (impianto) di terra è costituito dalla sua mobilità, infatti la conducibilità dell'acqua di mare è notevolmente diversa da quella dell'acqua di fiume, e ciò va considerato nella fase di progetto dei dispersori.
Ovviamente nella fase di dimensionamento dei vari elementi, è necessario tener conto che l'ambiente marino favorisce notevolmente i fenomeni di corrosione. È quindi necessario eseguire un'opportuna scelta dei materiali usati per i componenti e sovradimensionarli in modo da garantire la loro affidabilità nel tempo.
Con le premesse esposte è necessario eseguire un'accurata analisi delle normative, partendo ovviamente da quelle specifiche di settore, integrandole nei punti lacunosi con altre, come quelle ISO o CEI per sistemi terrestri. Ovviamente va tenuto conto che le norme CEI hanno una valenza giuridica, quindi le eventuali scelte tecniche, fuori dalle prescrizioni date da queste norme, comportano l'assunzione di responsabilità da parte del progettista.
Individuate le linee normative da seguire, è necessario stabilire opportune verifiche sulle scelte progettuali adottate.
In particolare vanno verificate il rispetto delle condizione di sicurezza nei confronti dei contatti indiretti. Le dimensioni dei componenti devono essere tali da non essere danneggiati dalle correnti di guasto o di fulmine, e devono assicurare un'affidabilità temporale nei confronti dei fenomeni di corrosione. Il tipo di distribuzione e la selettività delle protezioni, devono garantire la continuità di alimentazione ai carichi essenziali.
Si cercherà di eseguire le verifiche in modo generalizzato, ma ciò non sempre sarà possibile, in quanto molte scelte proggettuali dipendono dalle caratteristiche del tipo di imbarcazione e dalle dimensioni.
Verrà anche trattata la teoria della corrosione, fondamendale per stabilire la vita utile dei componenti metallici.
Infine verrà eseguito il dimensionamento di massima dell’impianto di terra, analizzando un caso reale di una motonave da diporto di 35 m con scafo in fibra di vetro e resina. Questo avviamente permette di confrontare le scelte teoriche effettuate con le soluzioni pratiche adottabili.
