La progettazione e gestione di impianti elettrici efficienti e sicuri

Al giorno d’oggi è sempre più importante progettare e gestire gli impianti elettrici valutando l’aspetto economico. Di seguito verranno presentate le principali strategie che progettisti e manutentori devono considerare quando affrontano un impianto elettrico.

L’attuale fase di cri­si energetica, che si ripercuote pesan­temente nella vita delle persone e nello sviluppo socio-industriale del paese, im­pone sempre più la necessità di recepire i criteri previsti in sede normativa per una progettazio­ne e una gestione degli impianti elettrici improntata a valutazio­ni di tornaconto economico, sia a breve sia a lungo termine, fra costo iniziale dell’impianto e ri­sparmi nei costi di funzionamen­to.

Naturalmente va sottolineato, proprio perché l’approccio pro­gettuale in questione non è ob­bligatorio e generalmente fa lievitare il costo di costruzione dell’impianto, che occorre infor­mare adeguatamente il commit­tente al fine di scegliere quali provvedimenti applicare dopo a­ver calcolato il tempo di ammor­tamento dei maggiori costi ini­ziali.

In questa rapida carrellata, insufficiente per fare approfon­dimenti a proposito delle varie strategie da mettere in campo, s’illustra la normativa e le princi­pali impostazioni che interessa­no sia i progettisti sia i manuten­tori, anche allo scopo di rimuove­re il semplicistico e superficiale approccio dell’impianto di mini­mo costo.

La normativa

Anche se l’argomento dell’effi­cientamento energetico è oggi imperativo, non è nuovo. Pas­sando dal più generale Rappor­to Tecnico UNI CEI/TR 11428:2011 “Gestione dell’energia – Diagnosi energetiche – Requisiti generali del servizio di diagnosi energeti­ca”, attualmente, nel concreto ci si riferisce, sotto l’aspetto che più interessa in questa sede, all’otta­va parte della Norma CEI 64-8, in vigore fin dal 1° novembre 2016; a cui hanno fatto seguito gli aggior­namenti delle edizioni del 2021- 08, Parti 8/1 – Efficienza ener­getica degli impianti elettrici, e della Parte 8/2 – Impianti elettri­ci di BT di utenti attivi (PEI – Pro­sumer’s low-voltage Electrical In­stallations).

In particolare, la già menzionata prima parte, tratta le prescrizioni e le raccomandazio­ni per il progetto di un impianto elettrico nel quadro di un approc­cio di gestione dell’efficienza e­nergetica per ottenere il miglior servizio permanente, equivalen­te al consumo di energia elettri­ca più basso e nelle condizioni di disponibilità di energia e di equi­librio economico più accettabili.

I criteri principali alla base della progettazione

Premesso che, per ottimizzare la progettazione occorre consi­derare in primis il costo dell’e­nergia primaria – partendo dalla struttura tariffaria stipulata col fornitore di energia – ma anche la disponibilità di fonti alternati­ve di natura rinnovabile, rispetto all’estensione dell’impianto e al suo diagramma di carico la Nor­ma si sofferma sulle strategie di base per minimizzare le perdite (nota 1), in particolare quelle derivanti da:

• ubicazione (non corretta) del­la cabina di trasformazione ri­spetto all’allocazione dei carichi e relativa energia consumata;
• scelta del tipo di trasformatore MT/BT;
• sezione delle condutture;
• ubicazione del rifasamento an­che in relazione all’imminente regolazione tariffaria per gli u­tenti non domestici a riguardo dell’energia reattiva immessa in rete.

Ubicazione della cabina di trasformazione

Esiste un’espressa raccomanda­zione per la determinazione del­la posizione economicamente più vantaggiosa della cabina di trasformazione MT/BT, del qua­dro di potenza o dell’eventuale gruppo di generazione: ossia il “metodo del baricentro dei cari­chi”. A livello di progetto, il cal­colo analitico delle coordinate del baricentro planimetrico (nota 2) d’in­stallazione della cabina assume significato a partire da un livello di struttura industriale composta da uffici, magazzino e 4/5 repar­ti, con una potenza complessiva installata di circa 400/500 kVA.

Detta impostazione – che all’atto pratico deve fare i conti sia con i vincoli delle normative previste per l’installazione di una cabina all’interno di un ambiente di lavo­ro sia con il fatto che il baricen­tro dei carichi non coincide con la trasformazione (che deve es­sere a spalla con la cabina di con­segna del Distributore) – impone la valutazione della convenienza complessiva di trasportare in BT, ovvero in MT, tutta la potenza a disposizione (minori perdite in MT rispetto che in BT a fronte di maggiori costi impiantistici – cavi MT + quadristica MT di arrivo nel­la cabina di trasformazione).

In quest’ultimo caso, si tratta di verificare anche se risulta con­veniente un maggior costo d’in­stallazione di un trasformatore a perdite ridotte, a fronte del recu­pero dei costi per le minori per­dite che s’incontrano in un arco temporale di tempo stabilito (in genere dieci anni).

In tal senso la Norma CEI EN 50464-1 fornisce la capitalizzazione dei costi delle perdite con l’espressione (nota 3):

Classi di efficienza

Le classi di efficienza per le per­dite a vuoto e per le perdite a ca­rico per i trasformatori in olio e a secco sono riportate nella Nor­ma CEI EN50588-1. La classe di massima efficienza per le perdite a vuoto (P0) è la classe AAA0, se­gue la classe AA0, poi la A0. Per le perdite a carico (PK) si usa la stessa logica, la classe di massi­mo rendimento è AK, seguita da BK, e poi da CK.

Dal 30 giugno 2021, secondo la Direttiva 125/CE/2009, sono commercializzati nell’UE esclu­sivamente trasformatori con classe A0 per le perdite a vuoto e AK per le perdite a carico.

Dimensionamento delle condutture

Per quanto attiene il dimensio­namento delle condutture, il pro­gettista deve individuare la se­zione ottima (a volte può essere conveniente un sovradimensio­namento della sezione compen­sabile dalle minori perdite) dei conduttori per i circuiti di distri­buzione (circuiti di alimentazio­ne) e dei circuiti finali che ali­mentano i carichi con consumo elevato basandosi su valutazioni di natura tecnica ed economica e tenendo in considerazione il co­sto:

• dei conduttori e della loro in­stallazione/montaggio;
• delle potenze dissipate nel cor­so della durata di vita prevista;
• della durata di vita prevista dal tipo di carico, dell’impianto e dal suo uso previsto.

A riguardo delle perdite, sono raccomandate altresì le seguenti impostazioni progettuali:

• riduzione degli effetti delle ar­moniche: queste sono prodotte dalle apparecchiature non line­ari (es. inverter, gruppi statici di continuità UPS, altri convertito­ri di potenza, forni ad arco, tra­sformatori e lampade a scarica, ecc.) che generano distorsioni di tensione o armoniche (figu­ra 1). Possono essere anche do­vute semplicemente a carichi monofasi equilibrati ma non li­neari. Queste armoniche sol­lecitano l’isolamento e sovrac­caricano cavi e trasformatori, causano interruzioni di corren­te e disturbano molti tipi di ap­parecchiature, quali computer, telefoni e macchine rotanti. La presenza di armoniche, oltre al­la riduzione di vita, può porta­re a un maggior riscaldamento rispetto all’alimentazione elet­trica lineare e, di conseguenza, causare maggiori perdite di e­nergia attraverso il sistema di condutture. È raccomandata la misura della distorsione armo­nica totale dell’onda di tensio­ne THDu a livello dell’impianto e la distorsione armonica tota­le dell’onda di corrente THDi a livello dell’apparecchio utilizza­tore; le azioni da intraprendere prevedono:

1. l’installazione di filtri di ar­moniche per ogni rispettivo circuito di carico;
2. l’aumento della sezione dei conduttori;
3. l’applicazione di metodi che generino meno armoniche, come la modulazione di lar­ghezza di impulso sinusoida­le (SPWM), negli invertitori delle sorgenti di energie rin­novabili collegati al punto di connessione;

• correzione del fattore di poten­za (cosφ) a livello del carico (ri­fasamento distribuito): general­mente il rifasamento distribuito è più costoso ma si ripaga ra­pidamente grazie al risparmio energetico che si ottiene dalle minori perdite sulle condutture di distribuzione. Il tasso di di­storsione armonica è un dato importante per la scelta delle batterie di condensatori.

Ottimizzazione energetica per i clienti non domestici

Sempre sotto l’aspetto dell’ot­timizzazione della gestione e­nergetica dell’impianto, è da te­nere presente che con Delibera n. 232/2022, l’ARERA ha dispo­sto che dal 1° aprile 2023, per i clienti finali non domestici in MT e BT con Pd ≥ a 16,5 kW, si ap­plichino corrispettivi unitari alle immissioni di energia reattiva in fascia F3 pari ai corrispettivi uni­tari applicati nelle fasce F1 e F2 ai prelievi di energia reattiva da parte dei clienti finali al medesi­mo livello di tensione eccedenti il 75% dell’energia attiva.

Uno de­gli aspetti innovati dall’edizione 2021 rispetto all’edizione 2016 della Parte 1 della Norma CEI 64-8-8 sono i provvedimenti attivi e passivi che si possono adottare sull’impianto elettrico per miglio­rarne l’efficienza energetica che è legata al prezzo dell’elettricità e al suo consumo. L’efficienza si realizza mediante misurazioni effettuate durante l’intera vita dell’impianto elettrico.

Questo aiuta a identificare le op­portunità di eventuali migliora­menti e interventi che possono essere implementati riproget­tando o riposizionando le appa­recchiature. Lo scopo è quello di permettere la progettazione di un impianto elettrico efficien­te che consenta un processo di gestione dell’energia adattabile alle necessità dell’utilizzatore, ri­manendo nell’ambito di un inve­stimento accettabile.

La norma in argomento suggeri­sce e introduce in prima istanza diverse misure che mirano ad as­sicurare un impianto energetico efficiente, basato sul risparmio di kWh, successivamente fornisce una guida su come assegnare la priorità alle misure da mette­re in atto, in funzione del rientro dell’investimento, vale a dire il ri­sparmio di energia elettrica e la riduzione dei costi dell’elettricità relativamente all’entità dell’inve­stimento.

Un metodo per calcolare la classe di efficienza energetica dell’im­pianto elettrico (EIEC) è quel­lo che tiene conto dei provvedi­menti assunti e del loro livello di prestazione (tabella).

Si basa su un sistema a punti assegnato in forza del quale l’impianto elet­trico viene classificato in 6 clas­si di efficienza energetica in or­dine crescente: EE0 (basso), EE1, EE2, EE3, EE4, EE5 (alto).

Un si­stema di gestione dell’efficienza energetica e dei carichi comanda l’utilizzo dell’energia consumata, tenendo conto dei carichi, della produzione e dell’accumulo loca­li e delle esigenze dell’utente, è rappresentato in figura 2.