di Francesca Salvemini
Le dinamiche tecnologiche, le problematiche ambientali, le incertezze del mercato petrolifero spingono la comunità scientifica e le autorità di governo a dedicare una crescente attenzione ai problemi legati alla qualità dell’energia, la cosi detta power quality, la cui forte influenza sui livelli dell’efficienza e della produttività di sistemi complessi sta diventando sempre più evidente.
La power quality valuta i flussi di energia elettrica in rete in termini di continuità, qualità, frequenza, valore efficace (valore dell’onda fondamentale) e forma d’onda (contenuto armonico), ed è un elemento che ha un’influenza di primaria importanza per la funzionalità e l’economicità di gestione di qualsiasi sistema complesso azionato dall’energia elettrica. Alcuni di questi aspetti sono ben noti e ciascuno ne ha sperimentato gli effetti in caso di disturbo. Altri, come le armoniche, in assenza di strumenti specifici, sono difficilmente individuabili e dunque subdoli.
Tutti hanno bisogno di energia elettrica, ma non tutti necessitano della stessa qualità dell’energia: a volte un livello qualitativo soddisfacente per un utente può essere insufficiente per un altro. La qualità si configura quindi come dipendente dalle esigenze del singolo utente, dato un livello medio garantito per tutti. Tuttavia l’uso sempre più diffuso dell’elettronica in qualsiasi sistema complesso, sia esso produttivo, di trasporto od altro, rende la power quality un fattore sempre più critico.
Alla qualità dell’energia concorrono sicuramente la rete di distribuzione, ma il più delle volte gli stessi apparati degli utilizzatori, ecco perché uno delle questioni ricorrenti quando si parla di power quality è quella legata all’individuazione di metodi per l’attribuzione della responsabilità di bassi livelli della qualità dell’energia.
Su questo specifico tema l’European Copper Institute (ECI) ha effettuato, nel quadro della nona conferenza dedicata al tema della power quality svoltosi a Barcellona nell’ottobre del 2007, una ricerca durata due anni nel corso della quale sono stati analizzati 16 settori industriali di 25 Stati dell’Unione Europa significativi per dipendenza energetica e fatturato.
Lo studio ha confermato da una parte la grande importanza della power quality nella gestione di sistemi complessi e dall’altra la non sufficiente consapevolezza dell’industria europea al riguardo.
In particolare lo studio ha evidenziato che:
le interruzioni di energia elettrica sono la maggiore causa di perdita di produttività;
la causa delle interruzioni di corrente provengono principalmente dagli impianti degli end users;
vi è un’insufficiente controllo e monitoraggio degli impianti in termini di valori monitorati e di diagnosi preventive.
Lo studio ha inoltre rilevato che, nell’ambito degli impianti industriali, i problemi che derivano da bassi livelli di power quality provengono per il 63 per cento dai motori elettrici, per il 61 per cento dai convertitori statici, per il 37 per cento dagli apparati elettronici, per il 29 per cento dalle strutture di processo, per il 24 per cento dagli UPS (uninterruptiple power supplies). Che nell’ambito dei servizi e dei trasporti derivano per il 57 per cento dagli apparati elettronici, per il 38 per cento dai sistemi di illuminazione, per il 33 per cento dai motori elettrici, per il 29 per cento dai convertitori statici e per il 29 per cento dagli UPS.
Le conseguenze di questi malfunzionamenti sono, nel settore dell’industria, in termini funzionali per il 61 per cento perdita di sincronizzazione, per il 54 per cento azionamento intempestivo dei relays, per il 51 per cento malfunzionamento delle apparecchiature elettroniche, per il 37 per cento danni ai motori e alle strumentazioni di processo. Nei servizi e nei trasporti per il 57 per cento interruzione di circuiti, per il 48 per cento perdita di dati, per il 43 per cento problemi nei sistemi di illuminazione, per il 38 per cento danni ai computer e ai sistemi elettronici, per il 33 per cento surriscaldamento dei trasformatori e della cablatura, per il 19 per cento azionamento intempestivo dei relays.
In termini finanziari, nei 25 paesi analizzati, le perdite in termini di costi derivanti da manodopera straordinaria, rallentamento dei processi produttivi, danni agli impianti, effetti negativi sulla qualità dei prodotti causati da malfunzionamenti dovuti a una diffusa insufficiente attenzione verso la power quality ammontano a oltre 150 miliardi di euro. Solo per il settore industriale la perdita è stimata in circa il 4 per cento del fatturato annuale .
In ogni caso è chiaro che l’impatto complessivo sull’economia nazionale dei costi legati a problemi di power quality è enorme e crescente e forse, ancora più importante, ignoto. Questi costi potrebbero essere significatamene ridotti se aumentassero gli investimenti in strumenti di misura e diagnosi. Tuttavia le società prese a campione, investano annualmente in power quality 297,5 milioni di euro, ma questi interventi sono fondamentalmente diretti a correggere i danni emersi piuttosto che a prevenirli.
Più i processi produttivi sono tecnologicamente avanzati più la power quality diventa un fattore critico della produzione. Secondo le stime di Hewlett-Packard, un’interruzione di energia elettrica di 20 minuti in un impianto di produzione di chip può costare più di 30 milioni di dollari.
Un’importante istituto di ricerca americano, l’Electric Power Research Institute (EPRI) afferma: “le sfide che le infrastrutture di trasporto e di distribuzione devono affrontare sono rese ancora più complesse dal fatto che gli utilizzatori finali usano sempre più applicazioni sofisticate con elevati bisogni in termini di qualità dell’energia elettrica (…). Questo trend è destinato a crescere visto che le aziende della new economy continuano ad alzare l’asticella del livello di qualità dei loro prodotti e servizi”.
In una memoria elaborata congiuntamente da docenti del Politecnico di Milano e delle Università di Bologna e Cagliari i professori Ferrero, Muscas, Peretto e Tinarelli si osserva che ” i profondi mutamenti che si stanno verificando nei sistemi di distribuzione dell’energia elettrica dovuti a fattori quali la liberalizzazione del mercato elettrico e la crescente diffusione di impianti di generazione distribuita alimentati da fonti rinnovabili, fanno nascere l’esigenza di studiare problematiche di monitoraggio e controllo diverse da quelle affrontate tradizionalmente. In particolare, l’impatto della generazione distribuita, unito al sempre più diffuso utilizzo dell’elettronica di potenza, sulla qualità dell’energia elettrica ha prodotto una notevole attenzione verso le misure di power quality, cioè verso tutte le azioni volte a monitorare, qualificare e quantificare i disturbi presenti nelle reti elettriche di potenza. In particolare, l’installazione di dispositivi elettronici di potenza nominale sempre crescente e la diffusione di componenti non lineari e tempo varianti fa si che le correnti e le tensioni negli elementi della rete risultino distorte. Molte grandezze usualmente impiegate in regime sinusoidale per caratterizzare lo stato energetico di un sistema di potenza risultano però inadeguate in presenza di distorsione.
Pertanto i tradizionali metodi di indagine e le funzioni di misura implementate dalla maggior parte della strumentazione di misura disponibile sul mercato risultano molto spesso fonte di errate informazioni.”
Un altro aspetto cruciale è senza dubbio quello della gestione energetica: da questo punto di vista appare opportuno poter controllare, anche a distanza, sistemi dispersi sul territorio e basati su tecnologie diverse per ottenere il maggiore vantaggio nel loro utilizzo. In uno scenario che vede crescere sempre di più la generazione distribuita, legata alla diffusione delle fonti rinnovabili, sarà sempre più importante disporre di sistemi di misura affidabili e flessibili. Diverse metodologie proposte per affrontare questi problemi sono basate sulla realizzazione di sistemi di misura distribuiti su larga scala che effettuino la misura simultanea di diverse quantità in diversi punti della rete. Per quanto detto le indicazioni fornite da tali sistemi di misura possono essere utilizzate per la gestione e la protezione del sistema. Risulta quindi essenziale valutare la qualità delle informazioni fornite. Occorre infatti considerare che spesso dette informazioni saranno affette dalle incertezze intrinseche di misura e ciò comporta inevitabilmente la pericolosa e non remota possibilità di giungere a decisioni non corrette perché prese non considerando l’incertezza di misura e quindi trattando come assolutamente certi dati che sono invece intrinsecamente incerti.
Sebbene si stiano sviluppando e offrendo sul mercato nuove ed avanzate tecnologie che consentono di mitigare i problemi di power quality il loro utilizzo è ancora poco diffuso e l’interesse del mercato ancora insufficiente. Queste tecnologie sono disponibili sul mercato in numerose forme e misure e con funzioni diverse, alcune sono già prodotti commercializzabili, altre sono allo stadio. La loro diffusione richiederà lo sviluppo di un mercato potenzialmente grande, ma che ha bisogno di una corretta informazione ed educazione circa i vantaggi, in termine di riduzione dei costi, che possono derivare da una loro diffusa applicazione.
Per le utilities e i loro clienti che sentono la necessità di una migliore qualità del servizio esistono pochi dati per valutare i benefici che deriverebbero dall’applicazione di queste nuove tecnologie. Spesso l’informazione più utile deriva dal capire quanto ogni singolo problema di qualità del servizio che si verifica costa al cliente: per esempio quantificare la perdita di produzione, i danni alle apparecchiature, la riduzione di vita utile di un impianto. Quante volte si verifica. Infatti, sebbene ci sia personale specializzato che conosce questi dati, raramente esiste un registro che li quantifichi su cui basare un’analisi di costi benefici. Spesso una decisione di investimento si basa sulla necessità di evitare semplicemente i rischi di un interruzione. Alcuni clienti potrebbero essere soddisfatti se potessero proteggere solo i loro impianti (loads) più critici. Tuttavia capire quale tra tutti i loro impianti è più critico è già di per se una valutazione e uno studio.
Poiché ogni decisione di investimento è presa sulla base di una valutazione economica il primo passo da fare è dunque quello della diagnosi degli impianti e degli eventuali problemi, una valutazione dei loro costi e solo allora sarà possibile adottare la soluzione più adatta.
