Fin dalla fine del 19° secolo, la corrente alternata si è imposta come lo standard per la trasmissione e la distribuzione dell’energia elettrica. All’epoca George Westinghouse vinse la sfida con Thomas Edison (l’inventore della lampadina), che era invece sostenitore della corrente continua.
Il motivo principale per cui la corrente continua perse la sfida con la corrente alternata è che la CC non poteva essere trasformata in maniera semplice. A causa del ridotto raggio della copertura della trasmissione, la scelta della corrente continua avrebbe comportato la costruzione di un maggior numero di centrali elettriche per fornire l’elettricità.
George Westinghouse invece scelse la CA e le tecnologie di generazione e trasmissione multi-fase sviluppate da Nikola Tesla: una scelta che permetteva alla CA di essere facilmente trasformata in altri livelli di tensione e quindi facilmente trasportata anche su lunghe distanze.
A quasi 150 anni di distanza da quell’epoca le cose sono però cambiate e la sfida delle correnti potrebbe non avere più lo stesso esito che ebbe allora.
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I vantaggi dei sistemi in corrente continua
La corrente alternata domina ancora il panorama energetico odierno. Ma l’industria energetica è all’inizio di un cambio di paradigma legato alla transizione energetica. Per abbattere l’inquinamento è necessario il consumo di risorse e affidarsi a fonti rinnovabili.
A differenza delle centrali a carbone o nucleari, i pannelli fotovoltaici generano corrente continua. Anche il circuito intermedio degli inverter delle turbine eoliche, che adatta l’energia generata alla frequenza della rete di 50 Hertz, funziona già con la CC. Lo stesso vale anche per i sistemi di accumulo, che possono essere utilizzati per compensare le fluttuazioni nella futura rete di approvvigionamento.
Con l’aumento delle fonti di energia, è necessario rendere le reti di distribuzione più stabili ed efficienti per sfruttare al meglio l’energia disponibile. Dal lato della trasmissione in alta tensione la tecnologia HVDC (High Voltage Direct Current) offre vantaggi significativi rispetto alla rete convenzionale in alternata e consente di risparmiare una doppia conversione: le perdite di trasporto sono dal 30 al 50 percento inferiori rispetto alla tensione alternata anche grazie all’uso di tensioni molto elevate che consentono di ridurre le perdite durante il trasporto.
Sul lato del consumo, quasi tutti i moderni dispositivi elettronici funzionano con la CC. Questo vale anche per i LED, l’elettromobilità. Anche la maggior parte dei motori elettrici a velocità variabile in uso in applicazioni industriali sono in continua. Per variarne la velocità oggi viene utilizzato un azionamento a frequenza variabile che converte la tensione di rete in CA in una frequenza di funzionamento variabile che consente di regolare la velocità del motore.
La corrente continua offre inoltre altri vantaggi in un sistema a bassa tensione. Un sistema a corrente continua consente infatti una distribuzione dell’energia più semplice ed efficace, riutilizzando il più possibile l’energia di frenata e minimizzando le perdite di conversione.
L’evoluzione tecnologica delle micro-reti
L’evoluzione dell’elettronica di potenza rende possibile l’implementazione di micro-reti a corrente continua nelle fabbriche. Componenti elettronici avanzati, come il carburo di silicio o il nitruro di gallio, permettono la realizzazione di convertitori CC/CC molto efficienti, che lavorano a frequenze superiori rispetto ai transistor tradizionali. Questo rende i convertitori più piccoli, leggeri, economici e ad alta efficienza, che sono fondamentali per un approvvigionamento energetico efficiente nelle micro-reti.
Parallelamente, l’uso di azionamenti a velocità variabile nell’industria è in aumento, in quanto permettono di controllare con precisione la velocità dei motori elettrici, migliorando notevolmente l’efficienza energetica. Infatti, circa il 30% del risparmio energetico potenzialmente ottenibile viene raggiunto grazie alla variazione di velocità nei sistemi di azionamento. Oggi, il 70% dei nuovi motori asincroni trifase venduti sono controllati da tali azionamenti.
I sistemi a corrente continua risultano poi interessanti per gli impianti industriali grazie alla disponibilità di sistemi di accumulo di energia a batteria, in particolare le batterie agli ioni di litio. Le fonti di energia rinnovabile, come i pannelli fotovoltaici, generano direttamente corrente continua, che può essere utilizzata direttamente dalle aziende, permettendo un autoconsumo energetico fino al 60%. Le unità di accumulo energetico, inoltre, possono essere utilizzate per coprire i picchi di consumo energetico, riducendo significativamente i costi di approvvigionamento energetico.
Maggiore efficienza e stabilità
I sistemi a corrente continua migliorano l’efficienza energetica rispetto a quelli a corrente alternata grazie a una sola conversione centrale da CA a CC, riducendo la dissipazione di calore e consentendo risparmi energetici tra il 2% e il 4%. Un vantaggio significativo è che l’energia di frenata, ad esempio da applicazioni di sollevamento, può essere riutilizzata direttamente da altri consumatori, il che non è possibile con i convertitori di frequenza tradizionali. Questo garantisce un’efficienza maggiore in funzionamento e risparmi energetici tra il 6% e il 10%.
Le energie rigenerative, come la fotovoltaica, possono essere integrate direttamente nella rete a livello di tensione CC, eliminando la necessità di conversione da CC a CA. Anche le batterie possono essere integrate facilmente nel sistema CC come stoccaggio tampone, ottimizzando l’approvvigionamento energetico e potenzialmente riducendo il picco di carico fino all’80%.
I sistemi CC sono anche più efficienti in termini di risorse. Per esempio, richiedono solo tre conduttori rispetto ai quattro necessari per l’alimentazione a corrente alternata. Ciò, insieme all’eliminazione della potenza reattiva e di distorsione, permette di ridurre la sezione trasversale del cavo, risparmiando circa il 50% di rame per il cablaggio e riducendo la perdita di potenza di quasi il 50%. I convertitori diventano più semplici, più economici e più piccoli, riducendo il loro volume fino al 25%.
I sistemi a corrente continua garantiscono inoltre una maggiore stabilità, grazie all’inclusione semplice di stoccaggio di batterie che facilita la compensazione delle fluttuazioni di potenza. In caso di interruzione dell’alimentazione, le operazioni possono essere mantenute fino alla chiusura ordinata delle strutture, evitando la perdita di produzione. Inoltre, non è necessario investire nel filtraggio e nella compensazione della rete CA, poiché i problemi di feedback della rete non si verificano più. In sintesi, un sistema CC migliora la disponibilità dei dispositivi e delle macchine collegati, riducendo i costosi tempi di fermo degli impianti.
Il progetto “DC Industrie”
I vantaggi offerti dalle reti a corrente continua nell’industria non sono considerazioni teoriche. Sono stati testati e confermati nella pratica nei progetti di ricerca “DC-Industrie” e “DC-Industrie2”, finanziati dal Governo Tedesco.
Il progetto “DC Industrie”, durato dal 2016 al 2019, ha coinvolto 27 partner tra industria e ricerca, focalizzandosi sullo sviluppo, l’adattamento e il test di dispositivi elettronici di potenza per l’alimentazione e la protezione dei sistemi CC nelle celle di produzione. Nei modelli implementati, si è ottenuto una riduzione della potenza di alimentazione fino all’80% e un recupero completo dell’energia di frenata.
Nell’ambito del progetto, Eaton ha fornito più di 40 prototipi di interruttori automatici a corrente continua, basati su semiconduttori di potenza che permettono un rilevamento e un’interruzione rapidi delle correnti di guasto, essenziali per prevenire scaricamenti inutili delle unità di stoccaggio in caso di guasto e per la protezione dei semiconduttori.
Il progetto successivo “DC-Industrie2”, avviato nel 2019 con 39 partner, si concentra sull’integrazione efficiente delle energie rinnovabili e dei sistemi di stoccaggio per bilanciare l’offerta e la domanda di elettricità nelle fabbriche. L’obiettivo era l’alimentazione a corrente continua di un intero ambiente di produzione. Sono state implementate e testate nove applicazioni, con potenze che variano da pochi kilowatt a due megawatt. Eaton ha fornito gran parte dell’attrezzatura di protezione per queste applicazioni e ha assunto il coordinamento del consorzio del progetto, concentrando i suoi sforzi sulla selettività nel sistema CC e sulla dimostrazione dell’applicabilità del concetto di sistema CC a livello di impianto industriale.
Il punto di vista di Eaton
La transizione dall’attuale dominio della corrente alternata alla corrente continua non è ancora del tutto semplicissima da attuare: ci sono infatti alcune sfide da affrontare, tra cui la mancanza (al momento) di componenti che permettano di rendere concretamente fattibile tale cambiamento. La situazione naturalmente è diversa a seconda che si consideri un greenfield e un brownfield. Nelle installazioni esistenti la sfida è più complessa, mentre per le fabbriche nuove esistono già delle realizzazioni di progetti completi.
In occasione della recente fiera SPS – Smart Production Solutions abbiamo incontrato Marco Chiari, Sales Director MOEM Global Accounts di Eaton, che ci ha parlato di come Eaton sta già proponendo le tecnologie necessarie alla gestione di applicazioni in corrente continua.
La Casa statunitense – ci ha detto Chiari – ha una serie di brevetti tecnologici relativi alla protezione della corrente continua, lavora con diverse associazioni e produttori, specialmente in Germania e nell’industria automobilistica, per esplorare nuovi approcci alla progettazione di impianti produttivi.
“L’obiettivo principale è ridurre l’impatto energetico e le emissioni di CO2”, sottolinea Chiari. “La transizione dalla corrente alternata alla corrente continua è vista come un cambiamento significativo e potenzialmente vantaggioso, soprattutto in termini di efficienza energetica.
L’integrazione con le fonti di energia rinnovabile e lo stoccaggio di energia sono altri benefici importanti offerti dalla corrente continua”.
