Integrazione dell'efficienza energetica e materiale nei trasformatori di distribuzione pubblica

C'è un crescente riconoscimento del fatto che la transizione energetica può essere sostenibile solo se l'uso dei materiali fa parte dell'equazione, un aspetto che si riflette nelle recenti iniziative normative dell'UE. Nei sistemi elettrici, accoppiare con successo l'efficienza energetica con l'efficienza delle risorse può essere impegnativo, ma il concetto di carico di punta sostenibile per i trasformatori di potenza nelle reti di distribuzione pubbliche è una soluzione elegante che riesce a combinare entrambi gli obiettivi.

Evitare il conflitto intrinseco

L'ambizione stabilita nel pacchetto europeo "Fit for 55%" da luglio 2021 richiede che tutte le strade tecnicamente ed economicamente praticabili per la decarbonizzazione siano sviluppate rigorosamente. Le reti di distribuzione elettrica possono contribuire massimizzando il loro rendimento energetico. In questo contesto, il regolamento Ecodesign sui trasformatori stabilisce dei valori massimi sia per le perdite di carico che per quelle a vuoto. I requisiti iniziali sono entrati in vigore il 1° luglio 2015 e valori più rigorosi sono applicati dal 1° luglio 2021.

Nel frattempo, il Green Deal europeo ha delineato l'ambizione di rendere l'economia più efficiente dal punto di vista dei materiali, culminando in un nuovo piano d'azione sull'economia circolare nel marzo 2020. Questa ambizione si è riflessa nell'articolo 7 dell'ultima edizione del regolamento sulla progettazione ecologica dei trasformatori, che elenca una serie di questioni da affrontare nella prossima revisione del regolamento. Questi includono "la possibilità e l'opportunità di coprire gli impatti ambientali diversi dall'energia nella fase di utilizzo, come (...) l'efficienza dei materiali".

Per quanto ragionevoli possano sembrare le ambizioni, quando si tratta di elettricità c'è un conflitto intrinseco tra efficienza energetica ed efficienza dei materiali. Una misura chiave per migliorare l'efficienza energetica dei sistemi elettrici è aumentare la quantità di materiale conduttore. Solo facendo un uso intelligente dei sistemi elettrici, questo trade-off può essere mitigato o evitato in alcuni casi. Il concetto di carico di picco sostenibile implementato nei trasformatori di distribuzione rappresenta una soluzione intelligente. Non cambia i trasformatori stessi, ma massimizza il loro rendimento per l'efficienza del materiale senza compromettere il loro rendimento energetico.

Carichi di picco che non compromettono l'affidabilità, la durata o l'efficienza energetica

All'origine del concetto di carico di picco sostenibile c'è il fatto che molti trasformatori di distribuzione pubblica, così come sono attualmente classificati, sono sottoutilizzati. Questo ha antecedenti storici. Regole severe sulla riduzione delle perdite, la compattezza e l'assenza di sostanze tossiche hanno spinto diverse innovazioni tecnologiche, tra cui l'uso di materiale di avvolgimento altamente conduttivo, acciaio magnetico con perdite ridotte, carta potenziata termicamente ed esteri naturali come isolamento liquido.

Come risultato, molti trasformatori possono ora sopportare temperature più elevate negli avvolgimenti - fino a 95°C invece di soli 65°C, e possono gestire una domanda di picco più elevata senza compromettere l'affidabilità o la durata dell'unità. Questo potenziale di carico di picco di solito non viene sfruttato, poiché gli operatori continuano a cercare di mantenere le perdite di potenza al di sotto dei valori stabiliti.

A bassi livelli di carico, tuttavia, l'importanza relativa delle perdite di carico diminuisce e l'importanza relativa delle perdite a vuoto aumenta. Di conseguenza, la scelta di un trasformatore più piccolo per lo stesso lavoro ha poca influenza sulle perdite annuali totali di energia dell'unità. Le reti di distribuzione pubblica hanno tipicamente livelli di carico così bassi. Fino a poco tempo fa, i loro carichi sono stati solo stimati, non misurati. Con l'introduzione dei contatori intelligenti, ampie campagne di misurazione hanno ora registrato dati in kWh per tutto l'anno, che mostrano che i carichi tendono a essere più bassi di quanto si pensasse inizialmente. I fattori di carico medi sono intorno al 15% della capacità nominale.

Questo basso fattore di carico combinato con la capacità tecnica di sovraccarico porta direttamente al concetto di trasformatore di picco sostenibile. La "capacità nominale di targa" sarà il valore con il quale il trasformatore soddisferà i requisiti delle norme sul rendimento energetico. La 'capacità di picco sostenibile' del trasformatore sarà fissata a un valore più alto. Finché il trasformatore opera in una rete con bassi carichi medi, come nel caso delle reti pubbliche di distribuzione, permettere questo tipo di capacità di picco più alta non aumenterà le perdite energetiche totali annuali dell'unità.

Un esercizio di modellazione che valuta i potenziali benefici

Un gruppo di esperti, sotto la direzione dell'Istituto europeo del rame, ha condotto un esercizio di modellazione per valutare l'impatto della selezione di unità di carico di picco sostenibili per tutte le sostituzioni di trasformatori nelle reti pubbliche di distribuzione nell'UE.

Il modello ha preso come punto di partenza l'onnipresente trasformatore da 400 kVA - 24 kV/0,4 kV e ha calcolato la differenza tra la sostituzione di tutte le unità da 400 kVA a fine vita nell'UE con unità convenzionali da 540 kVA o con unità da 400 kVA/540 kVA a carico di picco sostenibile.

Per quanto riguarda il rendimento energetico, bisogna distinguere tra le perdite di potenza nominale del trasformatore, espresse in Watt, e le sue perdite annuali di energia, espresse in kWh. Le prime sono soggette a regolamentazione, mentre le seconde devono essere prese in considerazione nella valutazione delle prestazioni ambientali dell'unità.

Il trasformatore da 400 kVA / 540 kVA con carico di picco sostenibile è progettato secondo gli standard di rendimento energetico minimi prevalenti per un'unità da 400 kVA, il che significa che le sue perdite di carico supereranno il valore di targa durante i brevi periodi di carico di picco fino a 540 kVA. Tuttavia, le sue perdite a vuoto sono fissate a un valore inferiore a quello di un'unità convenzionale da 540 kVA. Per i profili di carico con picchi brevi e un carico medio basso - come nel caso delle reti di distribuzione - l'aumento delle perdite di carico annuali sarà compensato dalla diminuzione delle perdite annuali a vuoto. Questo è stato confermato dai risultati dell'esercizio di modellazione: le perdite annuali totali di energia delle unità di carico di picco sostenibili sono state calcolate per essere molto simili a quelle di un'unità convenzionale.

Figura 1 - Il concetto di trasformatore di picco sostenibile (trasformatore di sottostazione di ing.mixa dal progetto Noun)

Mentre non è stato fatto alcun compromesso sulle perdite annuali di energia, l'efficienza dei materiali del trasformatore di picco sostenibile è aumentata sostanzialmente, con riduzioni del peso totale tra l'11 e il 15%.

Questo guadagno di efficienza nell'uso del materiale è stato ottenuto senza aumentare il costo unitario di acquisto. L'esercizio di modellazione ha dimostrato che il costo del modello di carico di picco sostenibile è paragonabile a quello di un trasformatore convenzionale se tutti gli altri parametri vengono mantenuti uguali.

Facilitare l'aggiornamento accelerato della rete

La valutazione degli esperti ha portato alla conclusione che l'applicazione diffusa del concetto di carico di picco sostenibile nelle reti di distribuzione pubbliche dell'UE sarebbe un esercizio positivo. Avrebbe un buon senso economico e darebbe un contributo significativo ai due obiettivi politici dell'efficienza energetica e dell'efficienza dei materiali.

Figura 2 - Il trasformatore di carico di picco sostenibile offre l'opportunità di migliorare la potenza di picco mantenendo le stesse dimensioni dell'unità (fonte: Copper Alliance)

Un importante vantaggio economico del trasformatore di picco sostenibile è la sua compattezza. Con la transizione dai combustibili fossili, si prevede una crescita sostanziale del consumo di elettricità in alcuni settori forniti dalle reti di distribuzione. Il trasformatore di picco sostenibile offre l'opportunità di aggiornare la potenza di picco del trasformatore mantenendo le stesse dimensioni dell'unità. Questo è un aspetto critico in ambienti urbani dove lo spazio può essere limitato, consentendo un'installazione più economica e aggiornamenti precedenti, rendendo la rete di distribuzione più robusta e sicura.

Fonte: Massimizzare l'efficienza delle risorse del trasformatore di distribuzione - Potenziale contributo agli obiettivi del Green Deal dell'UE, Leonardo Energy , ottobre 2021.