Una visione globale della tecnologia dei trasformatori di potenza presente e futura

Autore: Dott. Diego Robalino

L'energia elettrica, una componente fondamentale della modernità, non è ancora del tutto accessibile in molte comunità. La necessità di una crescita tecnologica volta a garantire una fornitura di energia sicura e affidabile è oggetto di discussioni a livello globale, ma vi sono anche grandi preoccupazioni riguardo al cambiamento climatico e agli effetti del riscaldamento globale. È senza dubbio quasi impossibile prevedere un perfetto equilibrio tra crescita tecnologica e protezione dell'ambiente, ma tutti coloro che si occupano di generazione, trasmissione, distribuzione e consumo di energia hanno un ruolo attivo nel rendere la vita il più sostenibile possibile. L'effetto netto dell'elettrificazione dipende soprattutto dai futuri progressi in termini di costi ed efficienza delle tecnologie elettriche per uso finale e dal loro impatto sociale.

L'affidabilità dei sistemi di alimentazione è un altro problema globale. La North American Electric Reliability Corporation (NERC) definisce un sistema di produzione e trasmissione dell'energia elettrica affidabile come "un sistema in grado di soddisfare le esigenze di elettricità dei clienti finali anche quando guasti imprevisti alle apparecchiature o altri fattori riducono la quantità di elettricità disponibile". NERC si affida a una serie di policy progettate per supportare un corretto funzionamento della rete in modo da mantenere un equilibrio costante tra domanda e offerta, nonché la sicurezza per rispondere e resistere ad anomalie improvvise e impreviste o alla perdita imprevista di elementi del sistema dovuta a cause naturali, nonché a malfunzionamenti causati da attacchi fisici o informatici.

La rete elettrica deve essere non solo affidabile, ma anche sicura ed efficiente. La rete si sta evolvendo per fornire un futuro energetico più resiliente e pulito, in cui anche le modalità di generazione e distribuzione dell'energia cambiano e, di conseguenza, la progettazione e la produzione di risorse elettriche si evolvono per soddisfare l'attuale fabbisogno tecnologico, riducendo così le perdite e migliorando le prestazioni. Per incoraggiare la valutazione e l'adozione di nuovi progetti, tecnologie e approcci a supporto di questa continua evoluzione, sono necessari ricerca e sviluppo, test e collaborazione globale.
 

Tecnologia dei trasformatori di potenza e distribuzione

Negli Stati Uniti d'America, l'Office of Electricity gestisce il programma Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) per accelerare la modernizzazione della rete, affrontando le sfide poste dai grandi trasformatori di potenza e altre apparecchiature della rete cruciali. I lettori interessati sono invitati a visitare il sito Web dell'Office of Electricity per ulteriori informazioni.

Il programma TRAC cura gli sforzi coordinati per aumentare l'efficienza energetica, migliorare le operazioni, rafforzare l'utilizzo e la gestione delle risorse, aumentare la resilienza dei sistemi e supportare una maggiore produzione interna.

TRAC prevede che i trasformatori di potenza siano flessibili e adattabili per applicazioni avanzate nella rete elettrica del futuro. Gli obiettivi includono, a titolo esemplificativo:

• Costi paragonabili alle unità tradizionali
• Efficienza > 99% a tutti i livelli di carico
• Riduzione del 25% di dimensione/peso
• Intervallo di impedenza controllabile 5-21%

Un trasformatore flessibile può adattarsi a un intervallo di rapporti di tensione e livelli di impedenza, riducendo i tempi e i costi di produzione rispetto ai trasformatori odierni. Un vantaggio importante è che i trasformatori flessibili saranno disponibili per sostituire i trasformatori danneggiati in pochi giorni anziché, come adesso, in mesi.

Il Dipartimento dell'energia (DOE) degli Stati Uniti regola il livello di efficienza energetica dei trasformatori di distribuzione a secco a bassa tensione dal 2007 e ha rilasciato una nuova regolamentazione sui livelli di efficienza per i trasformatori di distribuzione a secco a bassa tensione. I nuovi livelli di efficienza, entrati in vigore il 1° gennaio 2016, sono comunemente definiti livelli di efficienza DOE 2016. A causa delle nuove normative, i produttori hanno dovuto riprogettare i propri prodotti per aumentare l'efficienza.

Il 14 settembre 2021, il DOE ha pubblicato un nuovo documento sul Federal Register: 10 CFR Part 431 "Energy Conservation Program: Test Procedure for Distribution Transformers". Questo report segnala le analisi tecniche e i risultati che supportano la valutazione degli standard di conservazione dell'energia per i trasformatori di distribuzione. Le modifiche alle procedure di test sono in linea con le modifiche degli standard IEEE aggiornati, tra cui C57.12.00-2015; C57.12.01-2020; C57.12.90-2015; C57.12.91-2020.

Popolazione senza accesso all'elettricità (fonte IEA [1])

L'efficienza del trasformatore non è un argomento attuale solo nella regione del Nord America. Nel luglio 2015, lo standard di prestazioni energetiche minime prodotto dal CENELEC (il Comitato europeo di normazione elettrotecnica) ha specificato le perdite massime per il nucleo e gli avvolgimenti dei trasformatori di distribuzione e l'efficienza di picco minima per i trasformatori di potenza.

L'aumento dell'efficienza dei trasformatori di distribuzione si basa su una riduzione delle perdite, di cui esistono due tipi principali: perdite in assenza di carico e perdite con carico. Le perdite in assenza di carico si verificano principalmente nel nucleo del trasformatore e, per questo motivo, i termini "perdita in assenza di carico" e "perdita nel nucleo" vengono talvolta scambiati. La "perdita con carico" si verifica principalmente negli avvolgimenti. Le misure adottate per ridurre un tipo di perdita generalmente aumentano l'altro tipo di perdita. Alcuni esempi di opzioni per migliorare l'efficienza includono: acciai elettrici di qualità superiore, diversi tipi e materiali dei conduttori e regolazioni alle configurazioni di nucleo e bobine.

Le modifiche alla progettazione e alla costruzione non sono facili da implementare. Ad esempio, l'uso di acciaio amorfo pone una serie di sfide. In primo luogo, i pochi fornitori: solo uno negli Stati Uniti, con produzione internazionale in Cina, Giappone, Germania e Corea del Sud. In secondo luogo, il costo per libbra dell'acciaio elettrico amorfo è di circa 1,5 volte superiore a quello di un tipico acciaio elettrico a grani orientati M3. Di conseguenza, i nuclei amorfi hanno una penetrazione molto ridotta nell'attuale mercato, mentre l'acciaio a grani orientati predomina nella produzione dei trasformatori di distribuzione.

L'applicazione dei trasformatori di distribuzione varia in modo significativo in base al tipo (immerso in olio o a secco) e alla proprietà. I fornitori di energia elettrica possiedono circa il 95% dei trasformatori di distribuzione immersi in olio, mentre le entità commerciali/industriali utilizzano principalmente trasformatori a secco.
 

Il mercato delle energie rinnovabili

Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) fornisce un'analisi delle opportunità, delle sfide e delle implicazioni dell'integrazione della rete elettrica rinnovabile nel sistema elettrico statunitense. I report NREL indicano i principali fattori nelle previsioni sul consumo energetico, tra cui: 

• Elettrificazione dei veicoli, che domina la crescita progressiva della domanda annuale di elettricità, con un veicolo elettrico medio guidato da 19.000 a 23.000 km l'anno (da 12.000 a 14.000 miglia l'anno)
• Aggiunta di impianti fotovoltaici, che forniscono energia agli edifici commerciali e residenziali, nonché ai sistemi di trasporto
• Cambiamento climatico a livello mondiale, con conseguente aumento dell'uso dell'aria condizionata e del riscaldamento dell'ambiente

Come riportato nel World Energy Outlook 2021 pubblicato dall'International Energy Agency (IEA [1]), sta emergendo una nuova economia energetica. Non è chiaro in che modo il processo emergente si evolverà, ma sarà diverso in molti modi. Le vendite di veicoli elettrici e impianti fotovoltaici hanno raggiunto nuovi record nel 2020. Alcuni degli studi presentati dal Comitato IEEE per i trasformatori dimostrano che il carico è destinato ad aumentare tra il 10 e il 40%. È quindi importante considerare uno scenario in cui il carico medio equivalente è prossimo al 50% del valore riportato sulla targhetta dati di un trasformatore, ma la punta di carico può superare il 100% di questo valore. Un modo per gestire questo potenziale aumento del carico consiste nell'adottare un sistema di isolamento potenziato composto da liquidi a base di esteri naturali o sintetici utilizzati in combinazione con carta kraft migliorata termicamente.

In questa evoluzione della rete elettrica e dell'integrazione di fonti rinnovabili, generazione distribuita e microreti, gli sviluppi nell'elettronica di potenza stanno creando la possibilità di trasformatori a stato solido (SST). Ciò garantisce la gestione del flusso di elettricità bidirezionale con elevata variabilità tra, ad esempio, una microrete e la rete principale. Gli SST possono essere significativamente più piccoli di un trasformatore tradizionale equivalente, circa la metà del peso e un terzo del volume, ma esistono limitazioni relative ai costi e ai livelli di tensione. Si prevede che le ricerche future rivelino ulteriori aspetti degli SST.

Tecnologie di test e diagnostica migliorate

Di tanto in tanto, emerge una nuova terminologia che potrebbe sembrare piuttosto complessa. Ad esempio, trasformatori di potenza digitalizzati. In questo contesto, la digitalizzazione implica che i sensori sono integrati nel trasformatore di potenza per monitorarne costantemente le prestazioni o le condizioni. I sensori possono supportare l'analisi dei gas disciolti (DGA), la misurazione di temperatura e umidità, il controllo del raffreddamento del profilo di carico e molto altro. Gli obiettivi sono facilitare la gestione predittiva delle risorse, ridurre al minimo le perdite e migliorare l'efficienza.

Per durata di un trasformatore di potenza si intende in realtà la durata del suo sistema di isolamento. Grazie alla loro convenienza e alle proprietà vantaggiose, i materiali a base di cellulosa sono di gran lunga il tipo più comune di isolamento solido utilizzato nei trasformatori di potenza, spesso utilizzati in combinazione con liquidi isolanti. Realizzati in pura cellulosa, questi materiali hanno eccellenti caratteristiche elettriche e di impregnazione di olio, nonché buone proprietà meccaniche.

In relazione ai materiali isolanti, gli obiettivi di ricerca stabiliti da gruppi come TRAC includono:

• Rigidità dielettrica > 300 V/mil
• Angolo di perdita dielettrica (tan delta) < 0,05% a 60 Hz
• Proprietà dei materiali migliorate che rimangono stabili per tutta la vita utile delle risorse (da 20 a 40 anni)
• Resistenza termica > 130 °C in funzionamento continuo

I test sono fondamentali. Nella pipeline di ricerca e sviluppo sono presenti ancora altri materiali e il loro comportamento deve essere ben compreso, non solo dai ricercatori, ma anche dagli utenti finali. Negli ultimi vent'anni, abbiamo sentito parlare dell'uso di liquidi a base di esteri nei trasformatori di potenza e distribuzione. I trasformatori con isolamento solido immersi in olio minerale rappresentano il pericolo di incendio più significativo nelle sottostazioni elettriche. I liquidi a base di esteri, tuttavia, sono meno pericolosi rispetto agli oli minerali, poiché non solo presentano punti di infiammabilità e incendio più elevati, ma anche un valore calorifico netto più basso. Utilizzando un liquido meno infiammabile rispetto all'olio tradizionale come liquido di raffreddamento e isolante dielettrico, i rischi associati a potenziali incendi del trasformatore sono notevolmente ridotti.

Inoltre, i liquidi a base di esteri sintetici e naturali sono facilmente biodegradabili, presentano una tossicità orale molto bassa e non sono classificati come tossici per la vita acquatica. Questi fattori possono consentire un uso più semplice nelle installazioni in ambienti sensibili, come i bacini idrografici e le centrali eoliche offshore.

Per quanto riguarda l'isolamento solido, i trasformatori ad alta temperatura sono ora piuttosto comuni in tutto il mondo. L'isolamento ad alta temperatura, che include lo smalto e il rivestimento a nastro per conduttori, i distanziali di avvolgimento e i materiali di supporto meccanici, è comunemente utilizzato nei trasformatori per dispositivi mobili, locomotive e raddrizzatori. Queste applicazioni traggono vantaggio dal peso ridotto, dalla maggiore affidabilità e dalla maggiore durata offerta dall'uso di materiali ad alta temperatura. Da molti anni, questi materiali consentono anche ai produttori di fornire soluzioni per le applicazioni di riparazione e i trasformatori mobili.

I trasformatori ad alta temperatura per le applicazioni di trazione sono prodotti da molti anni, ma più recentemente questa tecnologia è diventata sempre più comune nei trasformatori di distribuzione montati su palo e nei trasformatori per turbine eoliche. Per coloro che sono interessati all'uso di materiali isolanti ad alta temperatura nei trasformatori di potenza, si consiglia la lettura della norma IEC 60076-14.
 

Riepilogo

La domanda nelle economie emergenti e in via di sviluppo rimane sulla traiettoria di crescita emersa nel secondo semestre del 2020 ed è probabile che la forte ripresa economica prevista per la Cina e l'India accelererà ulteriormente questa traiettoria. Ciò significa che l'affidabilità della fornitura e l'accessibilità dell'elettricità sono destinate a diventare ancora più importanti in ogni aspetto della vita delle persone.

Gli impianti fotovoltaici ed eolici rappresentano già fonti in rapida evoluzione di una nuova generazione di elettricità. Il mercato delle energie rinnovabili, se rispetta il piano che prevede uno scenario di emissioni zero nette per il 2050 (NZE), sarà molto più ampio dell'attuale settore petrolifero.

La digitalizzazione, il monitoraggio e il controllo delle prestazioni dei trasformatori stanno diventando sempre più disponibili e accessibili. La manutenzione predittiva basata su algoritmi di elaborazione dei dati avanzati sta procedendo con entusiasmo e la preoccupazione principale non è più come gestire il volume di dati coinvolti, ma come essere sicuri della qualità dei dati.

L'introduzione di nuovi tipi di liquidi isolanti aiuterà nello sviluppo di trasformatori per soddisfare i requisiti futuri, ma può anche rappresentare una sfida per il settore dei trasformatori se il comportamento dei nuovi liquidi non viene pienamente compreso. Le prestazioni di un liquido isolante dipendono fortemente dalla sua chimica e i liquidi isolanti alternativi come quelli a base di esteri si comportano in modo diverso dal più conosciuto olio minerale.

Qualsiasi siano le sfide, tuttavia, e indipendentemente dall'evoluzione della rete elettrica, una cosa è certa: i trasformatori di potenza continueranno a svolgere un ruolo cruciale nella trasmissione e nella distribuzione per gli anni a venire. Come abbiamo visto, anche se i trasformatori sono presenti nelle nostre società da quasi un secolo e mezzo, i progressi nella progettazione e nella costruzione continuano a ritmo sostenuto, il che significa che il futuro porterà sicuramente sviluppi interessanti ed entusiasmanti.
 

Riferimenti

[1] IEA, Population without access to electricity in the Stated Policies and Net Zero by 2050 scenarios, 2000-2030, IEA, Parigi https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/population-without-acces…