Impianti

Il Gruppo Elettrogeno in isola

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Pur essendomi occupato molte volte di impianti di produzione elettrica fotovoltaici, eolici ed idroelettrici, il fascino degli impianti basati su macchine termiche lo ritengo inarrivabile. La sensazione di energia che ti dà il rumore di un Gruppo Elettrogeno, diesel o a gas, non ha niente a che vedere con il silenzio di un impianto fotovoltaico o con il fruscio di una torre eolica, senza dimenticare il brivido che provi quando giri la chiave della messa in moto ed il motore si porta a regime di giri per alimentare il carico.
Provi la soddisfazione che il tuo lavoro è andato a buon fine.

 

GENSET

Oggi con questo articolo vi voglio parlare di gruppi elettrogeni, del classico generatore Diesel, quello che a livello internazionale viene chiamato “Genset”, una macchina che si usa per alimentare un carico in assenza della rete pubblica, indipendentemente che sia a causa di un Black-out o perché si devono alimentare delle utenze provvisorie. Cercherò quindi di parlare delle caratteristiche meno conosciute di queste macchine, meno spiegate, perché solitamente si danno per scontate o perché si credono banali o secondarie. Ma quando si progetta nulla dovrebbe essere tralasciato, perché più cose si prevedono e migliore sarà la gestione dell’impianto e minori i costi di manutenzione.

Diesel_Caterpillar_GensetL

 

PRONTI A PARTIRE

Le spiegazioni che seguono saranno principalmente orientate ai gruppi elettrogeni “di emergenza”, cioè che si installano in tutti gli edifici che richiedono una alimentazione di riserva in caso di mancanza della tensione di rete, come ad esempio aeroporti, ospedali, cinema, teatri, Datacenter, stazioni ed altri luoghi che erogano servizi non interrompibili.
Alcune indicazioni comunque sono utili anche per i gruppi elettrogeni che vengono usati in modo “provvisorio” per alimentare cantieri, manifestazioni ed altre utenze di tipo temporaneo in situazioni dove non sia presente la tensione di rete.

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Diesel Cummins Generator

 

DATI TECNICI DI BASE

Ecco alcuni dati tecnici fondamentali delle macchine di cui parleremo:

  • Alimentazione a gasolio
  • Tensione di uscita è 230/400V (trifase+neutro),
  • Frequenza in uscita: 50 Hz
  • Sistema di distribuzione TN-S
  • Range di potenza 200…2000kW (ma arrivano anche a 5000kW).

Generalmente queste macchine girano a 1500 giri/minuto, per gli impianti funzionanti a 50Hz, mentre girano a 1800 g/1 per gli impianti a 60Hz (usati a bordo nave o nei paesi di influenza americana).

 

METTIAMO IN MOTO

Da cosa è composto un Gruppo Elettrogeno ?
Prima di tutto avremo un motore endotermico, generalmente a ciclo Diesel, con tutti i componenti ed i problemi tipici di un qualunque motore di automobile: ci deve essere la batteria per la messa in moto, il tubo di scappamento, il radiatore, il filtro dell’olio, ecc.. ecc…
In pratica sono tutti componenti che devono essere manutenuti da un “motorista”. Nel dimensionare il locale ricordatevi quindi di lasciargli lo spazio per girarci attorno, almeno 80 centimetri.
Il secondo componente fondamentale del gruppo elettrogeno è l’alternatore, che deve essere una macchina “sincrona”, completa di eccitatrice e regolatore di tensione. Chi assembla il Genset alle volte fa il furbo e sottodimensiona l’alternatore: vedremo tra poco le cose minime da controllare per evitare questi problemi.
Ricordatevi che se il gruppo elettrogeno deve essere “di emergenza”, ossia sempre pronto a partire, dovrà avere costantemente alimentate le seguenti due utenze a 230V:

  • una resistenza (scaldiglia) per tenere costantemente caldo l’olio del motore,
  • il caricabatterie (che mantiene cariche le batterie di avviamento, generalmente 2 in serie, perché funziona a 24Vcc).

Un’altra utenza esterna al gruppo potrebbe essere la Pompa di “trasferimento” del gasolio, cioè la pompa che preleva il gasolio dalla cisterna interrata posta all’esterno e lo travasa nel serbatoio integrato del gruppo, che generalmente non contiene più di 100 litri.
Ricordatevi inoltre che i locali con i Gruppi Elettrogeni devono rispettare la Regola Tecnica di Prevenzione incendi specifica per queste macchine (D.M. 13 luglio 2011): non potete fare a meno di leggerla.

Diesel_Genset_Parts

POTENZE IN GIOCO

Dimensionare la potenza di un gruppo elettrogeno potrebbe non essere semplice, dato che generalmente il progettista non ha elementi certi relativamente ai carichi da alimentare.
Supponiamo comunque che vi abbiamo comunicato che dovete alimentare un carico che complessivamente assorbe circa 300kW. Personalmente sarei orientato ad ordinare un Gruppo da 500kVA. I Gruppi Elettrogeni infatti solitamente sono dimensionati per alimentare un carico con Cos φ = 0.8, pertanto la Potenza Attiva disponibile sarà:

 P = 500 \times 0{,}8 = 400 [\text{kW}]

Nella pratica significa che il nostro gruppo elettrogeno avrà un margine di sicurezza del 30% sul carico previsto (400/300), margine che è utile anche per far fronte allo spunto di avviamento di eventuali motori.
Nel caso siano presenti motori particolarmente importanti, questo calcolo dovrà essere fatto molto più attentamente, per evitare di far rallentare eccessivamente il Gruppo all’avviamento del motore o causare un buco di tensione alle utenze.
Un’altro modo di dimensionare il Gruppo Elettrogeno potrebbe essere quello di chiedere un motore (diesel) che abbia almeno una Potenza Meccanica di:

Pmecc = Pcarico x 1,3

Dove Pcarico è la potenza data dalla somma di tutte le utenze da alimentare contemporaneamente.

Alcune marche note di motori diesel per gruppi elettrogeni sono: Iveco Aifo, Caterpillari, MTU, Cummins, Man, Perkins, Volvo.

 

TOLLERANZE SULLA POTENZA

Nel calcolo della potenza resa da un gruppo elettrogeno si dovrebbe tener conto anche delle perdite dell’alternatore; per queste potenze generalmente si tratta di macchine con un rendimento di circa il 94%. Per i più esigenti, ecco la curva di rendimento di un alternatore in bassa tensione trifase a 50Hz a 4 poli (Stamford HCI534C/544C).

Stamford_Efficency_50Hz_500kVA

Sull’asse orizzontale dovete scegliere quanto avete “caricato” l’alternatore, mentre sulla destra (in verticale) dovete prendere il fattore di potenza del vostro cario (di solito si prende PF=0.9); sull’asse delle ordinate troverete quindi il corrispondente rendimento.

 

APERTO o SILENZIATO

I fornitori dei gruppi elettrogeni hanno generalmente due possibilità di fornire il gruppo: aperto o silenziato (cofanato). Nel primo caso il motore è a vista e quindi non avrà nessun filtro relativamente alle sue emissioni acustiche, né sarà riparato dalle intemperie, pertanto può solamente essere installato in luoghi interni o coperti.

diesel-fuel-generator-set-Cummins

Nel secondo caso si tratta di un container o comunque di un involucro metallico adatto per l’esterno, chiuso a chiave ed isolato dal punto di vista acustico. Ci sono modelli silenziati (circa 75 dB) e super-silenziati (circa 65dB).
E’ utile anche se installato all’interno, perché evita interventi di mitigazione acustica, che dovrebbero essere progettati su misura.

 

ALTERNATORE

Mi è capitato più di un caso di Gruppi di Generazione dove l’alternatore era stato sottodimensionato o dimensionato in modo superficiale, soprattutto a causa delle taglie commerciali.

Ad esempio, se il motore diesel ha la potenza di 1000kW il Genset deve essere equipaggiato con un alternatore almeno da 1250kVA.
E’ vero che difficilmente i carichi hanno un cosfi 0.8, ma è altrettanto vero che non si installa mai una macchina per usarla al 100% della sue prestazioni nominali. I margini infatti sono importanti e servono sia per le situazioni di emergenza che per evitare un invecchiamento precoce dei componenti, pertanto non è professionale sottilizzare su questi numeri, soprattutto se si tratta di investimenti che devono assicurare una lunga durata ed affidabilità.

Consiglio pertanto di osservare questa regola:

Salt = Pmec / 0,8

Dove

  • Salt è la potenza minima che deve avere l’alternatore sulla targa, in kVA
  • Pmec è la potenza meccanica erogata all’asse dal motore Diesel, in kW

Naturalmente si dovrà scegliere la macchina con la taglia “commerciale” che più si avvicina a questo numero; il consiglio, come dicevano i latini, è “meglio abbondare che scarseggiare”, cioè di prendere la macchina che si avvicina per eccesso; vorrà dire che il vostro gruppo avrà poche perdite nel rame.
Del resto, come si vede nel grafico sopra riportato, il rendimento ottimale si ottiene intorno al 60% della potenza nominale.

 

Alternatore Mecc Alte 2140 kVA
Alternatore Mecc Alte 2140 kVA

 

Per finire, ricordo alcune delle marche di alternatori che si trovano più spesso: MECCALTE (italiana), LEROY SOMER(francese) e STAMFORD (inglese del gruppo Cummins).

INTERRUTTORI

Non è necessario che l’alternatore sia dotato di un interruttore BT a bordo; su possono collegare i cavi dal quadro elettrico direttamente ai morsetti dell’alternatore, senza inserire ulteriori interruttori. Del resto i trasformatori MT/BT non sono dotati di interruttori a bordo, quindi non vedo perché mettere un interruttore sull’alternatore di una macchina installata in modo fisso, permanente. Chi mi legge da tempo sa che cerco di evitare le cose inutili, sia perché sono un costo sia perché significa aggiungere complicazioni all’impianto.
L’interruttore a bordo alternatore può essere comodo per questioni di manutenzione, ma non è indispensabile; oppure può essere utile ma per gruppi trasportabili, che devono alimentare direttamente le utenze, come nei cantieri, nei concerti o in altre situazioni senza la rete pubblica.

Ricordatevi che se il vostro sistema di distribuzione è il classico TN-S, il Neutro deve essere collegato a terra; generalmente si collega a terra il centro stella dentro la morsettiera dell’alternatore .

 

COMMUTAZIONE

Negli impianti fissi, come ad esempio in un cinema o in un ospedale, da qualche parte si dovrà installare il quadro elettrico che esegue la “commutazione”  automatica Rete-Gruppo e viceversa.

Mi è capitato diverse volte di vedere a fianco del gruppo elettrogeno un quadro elettrico di potenza per eseguire la commutazione Rete/Gruppo, costringendo l’impiantista a “giri” particolarmente lunghi con i cavi BT di sezione importante, aggiungendo all’impianto dei costi inutili.
La commutazione Rete/Gruppo, solitamente si fa nel Quadro Generale di Bassa Tensione, nell’eventuale sezione dedicata alle utenze privilegiate (sempre che il gruppo non debba alimentare l’intero impianto): è in questo quadro che si deve prevedere l’interruttore a protezione della linea che arriva dall’alternatore e dell’interruttore dell’alimentazione proveniente da rete, entrambi motorizzati ed interbloccati.
L’interblocco può essere omesso ma solo se la logica di controllo del gruppo è in grado di gestire il parallelo con la rete.

ELETTRONICA DI CONTROLLO

Generalmente i gruppi elettrogeni hanno a bordo una centralina elettronica per la gestione del motore endotermico, centralina che a volte può gestire anche il comando della commutazione rete-gruppo, ma non è il modo migliore di realizzare questa funzione.

LOVATO_Commutatore_Automatico_ATL800
LOVATO_Commutatore_Automatico_ATL800

La cosa migliore è tenere separate queste due funzioni e posizionare la centralina di gestione della commutazione nei pressi del Quadro BT con gli interruttori Rete-Grupo; in questo modo l’operatore può fare tutti i test sull’impianto elettrico senza doversi allontanare dalla sala quadri per andare a comandare il gruppo elettrogeno.

 

FREQUENZA

Quando un gruppo elettrogeno alimenta un carico in isola, è praticamente impossibile avere una frequenza esattamente a 50Hz, sia per le tolleranze dovute al regolatore di giri (la pompa di iniezione del gasolio), sia per la presenza di carichi che si accendono o spengono facendo variare di conseguenza il regime di rotazione del motore primo. Anche qui influisce la reattività del regolatore di giri, ma non serve nemmeno fasciarsi la testa.
Variare la frequenza della rete infatti generalmente non causa problemi importanti: significa essenzialmente variare la velocità dei motori elettrici. Tutte le apparecchiature elettroniche di oggi, infatti, sono multifrequenza (50-60Hz), e quindi hanno un range di lavoro molto largo, compresi i motori che vengono alimentati tramite inverter. Infine, una pompa o un ventilatore ad avviamento elettromeccanico, che dovessero accelerare o decelerare per pochi istanti non dovrebbero costituire un problema per il funzionamento o un pericolo per l’impianto, né dal punto di vista meccanico né dal punto di vista elettrico, pertanto non è il caso di preoccuparsi se la frequenza di alimentazione dei carichi in isola non è precisa.

 

FOTOVOLTAICO E FREQUENZA

Ricordo infine che gli impianti fotovoltaici, essendo gli inverter programmati secondo la Norma CEI 0-21 (o 0-16), dopo una interruzione o microinterruzione, restano disconnessi dalla rete fintanto che la frequenza non rientra nei margini della norma, che sono molto stringenti, per almeno 300 secondi. Questo significa che è praticamente impossibile far funzionare un impianto Fotovoltaico mentre una rete BT funziona in isola alimentata da un gruppo elettrogeno, proprio per l’instabilità della frequenza. Per far ripartire l’impianto fotovoltaico si dovrà attendere il rientro della tensione di rete.

AUTONOMIA

Per garantire al nostro impianto di emergenza una certa autonomia, ad esempio 12 ore, è necessario prima di tutto calcolare il consumo del gruppo elettrogeno.
Per fare questo calcolo è possibile seguire questa semplice regola empirica:

  • Potere calorico di 1 lt di gasolio = 10 kWh
  • Rendimento del Gruppo Elettrogeno = 25%
  • Energia prodotta con 1 lt di gasolio = 2,5 kWh

Utilizzando il nostro carico ipotetico di 300 kW, significa che si avrà un consumo orario di:

 Consumo = 300/2,5 = 120 \; [lt/h]

Dimensione minima della cisterna del gasolio:

D = 120 \times 12 [ore] = 1440 \; [lt]

La cisterna “commerciale” più adatta per questa applicazione sarà quindi quella da 2 metri cubi (2000 lt).
Da notare che non è necessario spingersi a calcolare con troppa precisione questo dato, e questo per diversi motivi: in primo luogo perché generalmente il carico non è noto e secondariamente perché durante il funzionamento il carico cambia più volte; secondariamente perché la resa del gruppo elettrogeno cambia con la percentuale de carico applicato, quindi diventa ancora più complicato calcolare il consumo al variare delle condizioni di lavoro.
Meglio quindi fare un calcolo orientativo e piuttosto coinvolgere il committente nella decisione di quante ore di funzionamento si vogliono assicurare e di quanto gasolio si vuole “immobilizzare” nella cisterna… economicamente parlando!

 

STANDBY POWER e PRIME POWER

I fornitori di Gruppi Elettrogeni generalmente dichiarano due potenze per lo stesso gruppo elettrogeno, che si riferiscono a due modi di utilizzarlo:

  • Prime Power

E’ l’applicazione dove il gruppo elettrogeno è la fonte primaria di energia elettrica e quindi resta “perennemente” acceso per alimentare i carichi; questo è il caso dei luoghi che non hanno accesso alla rete pubblica come Miniere, Isole, Cantieri, Pozzi e altre zone remote.
In questo caso la Potenza Nominale del motore subisce un declassamento (o derating) per aumentarne l’affidabilità. Il derating infatti limita l’usura, diminuisce il consumo di olio di lubrificazione ed evita di aumentare la temperatura di lavoro anche al fine di ridurre il rischio di eventuali guasti e fuori servizio.
Il motore “Prime Power”, infine, deve essere pronto a sopportare brevi sovraccarichi ma anche continue variazioni del carico, di qui il necessario declassamento della potenza.

  • Standby Power

E’ la classica applicazione di “Emergenza” dove il gruppo interviene molto raramente per un guasto o un Black-Out sulla rete pubblica; in questa applicazione si può “spremere” dal motore più potenza rispetto all’uso continuativo, dato che è una condizione che tipicamente dura solo poche ore e comunque non oltre 1-2 giorni all’anno. E’ quindi possibile usufruire di una maggior erogazione di potenza dal motore anche senza danneggiarlo.

 

ALTRI COMBUSTIBILI

Non c’è una regola che obbliga ad usare un combustibile piuttosto che un altro, ma generalmente i gruppi elettrogeni funzionano a gasolio, per il semplice motivo che consente di essere indipendenti da qualunque evento esterno. Un gruppo elettrogeno a metano, ad esempio, è molto più complesso e costoso, inoltre dipende da una rete che potrebbe comunque essere fuori servizio proprio ne momento in cui manca anche la rete elettrica.
Di motori a gas/biogas, ne parleremo eventualmente in un altro articolo dedicato alla Cogenerazione.
Ricordo infine che il motore inventato da Rudolf Diesel nel 1892 può funzionare con qualunque olio vegetale, non solo con il gasolio estratto dal petrolio.

 

Libri

Segnalo in argomento il libro “Guida Blu Gruppi Elettrogeni”, edizioni TNE – Link qui