Revamping della centrale di Monfalcone Porto sul Canale de Dottori realizzato da Ansaldo Sistemi Industriali

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1 Impianto mini idroelettrico con generatori a magneti permanenti Fabio Luise, Cristina Scorlini Ansaldo Sistemi Industriali Revamping della centrale di Monfalcone Porto sul Canale de Dottori realizzato da Ansaldo Sistemi Industriali In Italia l energia idroelettrica rappresenta ancora circa il 15% di tutta l energia prodotta. In questi ultimi anni grande attenzione è riservata anche agli impianti di piccola taglia (indicativamente con potenza inferiore a 3 MW) sia ad acqua fluente sia a caduta. In questo quadro Ansaldo Sistemi Industriali (ASI) ha ricevuto nel novembre 2009 da Co-Ver Energia ordine per il revamping della centrale di EdiPower a Monfalcone Porto (in provincia di Trieste) sul Canale de Dottori. Questo articolo riporta i principali aspetti tecnici dell intervento. In particolare, viene illustrata la nuova soluzione in cui i generatori a magneti permanenti sono connessi a inverter e la potenza convertita è gestita verso rete tramite active front end. L intervento ha consentito di elevare la potenza della centrale da 2 x 197 a 2 x 305 kw. Permanent-magnet Mini Hydroelectric Unit Historically, hydroelectric generation represents one of the first systems of exploiting renewable resources. With limited channelling, water is ready to deliver its accumulated potential energy to various types of turbines. In Italy, in 2008, hydroelectric power represented 15% of all energy produced (ten times more than wind power), through 2191 plants of various sizes. At the beginning of November 2009, Ansado Sisitemi Industriali acquired the order from Co-Ver Energia (a power generating company based in Verbania) to revamp the plant located at Monfalcone Porto. The final turnkey customer of Co-Ver is EdiPower Milano, which aims to increase production and to obtain green certificates for a considerable proportion of its production. The article is focused on the power station of Monfalcone Porto, the last one of a series of small run-ofriver plants installed in the Canale de Dottori before flowing into the sea, generating some hundreds kilowatts through a two tilted-axis Kaplan turbine. La generazione idroelettrica storicamente rappresenta uno dei primi sistemi di sfruttamento delle risorse rinnovabili: l acqua nel suo ciclo naturale di evaporazione e condensazione si presenta a terra praticamente già concentrata e con limitati interventi di incanalamento è quindi pronta per cedere l energia gravitazionale che ha accumulato a turbine di varia natura. Dall inizio del 900 le maggiori economie mondiali si sono dotate di dighe e condotte forzate per convertire l energia dell acqua in energia elettrica, ovvero nella forma più facilmente fruibile e trasportabile. Ancor oggi, l idroelettrico costituisce la più importante fonte di energia rinnovabile al mondo in quanto copre ben il 20% della produzione complessiva di energia elettrica. Sbarramenti artificiali come la diga di Assuan (in Egitto, 2 GW), la Tre Gole (a Hubei, in Cina, 18,2 GW) e la Hoover Dam (sul fiume Colorado, a Las Vegas, negli USA, 2 GW) sono opere tanto 43

2 Fig. 1 Opera di presa realizzata nel 1905 sul Canale de Dottori nell Isopontino grandiose da lasciare un segno indelebile nella memoria di chi li ha visti (si notano anche in Google Earth senza tanti ingrandimenti, perché purtroppo hanno inciso nella crosta terrestre e negli ecosistemi stabilizzati nel corso delle ere geologiche). Si può quindi affermare che i progettisti meccanici ed elettromeccanici di qualsiasi età siano comunque accomunati da un sentimento di reverenza di fronte a queste opere immense e, soprattutto, nel ricordare come agli albori del secolo scorso tecnici-pionieri (che disponevano più di intuito che di strumenti di calcolo) abbiano gettato le basi teoriche delle macchine sincrone e delle reti di potenza tutt ora impiegate. In Italia ancora nel 2008 l energia idroelettrica ha rappresentato il 15% di tutta l energia prodotta (dieci volte la produzione eolica), tramite 2191 impianti di varia stazza. L Enel controlla 136 grandi dighe (ovvero dighe con sbarramento superiore a 15 m), 211 impianti idroelettrici e 300 cosiddetti mini-idro; a questi vanno aggiunte le centrali e centraline di EdiPower per un totale di 752 MW. L 86% della potenza idroelettrica installata nel nostro paese riguarda centrali di taglia superiore a 10 MW, ma i piccoli impianti sono numericamente preponderanti. Di fatto, solo il 30% supera i 3 MW e il 56% è addirittura inferiore a 400 kw. Gli impianti di piccola taglia, sia ad acqua fluente sia a caduta, sono però proprio quelli su cui oggi si punta maggiormente, in quanto presentano due caratteristiche attualissime: i bassi costi di gestione; il basso impatto ambientale in quanto non vi è alcun tipo di emissione inquinante. L intensificazione dello sfruttamento della risorsa Principi di funzionamento del generatore sincrono a magneti permanenti e del convertitore statico Generatore sincrono a magneti permanenti Il principio di funzionamento di un generatore sincrono a magneti permanenti può essere derivato da quello della macchina sincrona a poli salienti: i magneti permanenti sostituiscono i poli avvolti e forniscono un flusso di eccitazione virtualmente costante e che, a differenza della macchina tradizionale, non può essere gestito dall esterno. Nella costruzione a flusso radiale le linee di flusso escono radialmente dal rotore e si chiudono su piani ortogonali alla direzione di rotazione. Delle varie alternative possibili la configurazione a magneti superficiali (SPM) è la più semplice e compatta: in essa i magneti sinterizzati meccanicamente analoghi a ceramichesono direttamente incollati sulle strutture magnetiche del rotore e sono protetti da corrosione e frattura tramite incapsulamento con resine epossidiche ed un bendaggio in fibra di vetro. Oltre a presentare perdite sul rotore quasi nulle, il generatore a magneti permanenti permette una flessibilità di progetto superiore a quella del sincrono tradizionale, tanto da consentire polarità molto elevate in costruzioni compatte (che sarebbero altrimenti non accessibili soprattutto a causa di fenomeni di dispersione interpolare e complessità realizzativa degli avvolgimenti). La polarità elevata permette la connessione diretta del generatore alla turbina, e la conveniente scomparsa del moltiplicatore di giri. L eccitazione derivante dai magneti è però pressoché costante, quindi una connessione diretta alla rete vincolerebbe sia la velocità di rotazione sia il bilancio dei flussi di potenza attiva e reattiva ai parametri della rete stessa: per realizzare il pieno controllo di queste grandezze è quindi necessario interporre tra generatore e rete un convertitore statico. Convertitore statico Il convertitore statico è un convertitore a doppio stadio, costituito da un raddrizzatore corrente alternata / corrente continua e da un inverter corrente continua / corrente alternata con regolazione PWM (Pulse Width Modulation) della tensione/frequenza. Il suo funzionamento è in controllo a orientamento di campo del generatore PM (modalità FOC), con fattore di potenza della macchina prossimo all unità. Il convertitore consente di svincolare la velocità di rotazione della turbina dalla frequenza di rete; in questo modo è possibile una migliore scelta della girante e un corrispondente aumento del rendimento di turbina. La regolazione di potenza attiva/reattiva è effettuata dal convertitore, variando la fase (potenza attiva) e il modulo (potenza reattiva) della tensione; pertanto, non è richiesto un apparato di rifasa mento (batteria di condensatori) per regolare il fattore di potenza dell energia erogata. 44

3 idroelettrica presta quindi grande attenzione ai piccoli salti finora trascurati e all ampliamento degli impianti esistenti. La nuova soluzione con generatori accoppiati alla turbina All inizio di novembre 2009 Ansaldo Sistemi Industriali (ASI) ha acquisito da parte del turbinista Co- Ver Energia l ordine per il revamping chiavi in mano dell impianto di Monfalcone Porto (in provincia di Trieste). Cliente finale era EdiPower, che puntava a incrementare la produzione e a ottenere il riconoscimento di certificati verdi per una quota importante. La centralina di Monfalcone Porto è l ultimo di una serie di piccoli impianti ad acqua fluente che interessa il Canale de Dottori (figura 1) prima di sfociare in mare (si trova a neanche un chilometro dallo stabilimento di Monfalcone di ASI) ed elabora alcune centinaia di kw tramite due turbine Kaplan ad asse inclinato. Storicamente il Canale de Dottori è stato fondamentale nello sviluppo agrario ed economico dell Isontino: fu aperto nel 1905 per collegare il fiume Isonzo con il golfo di Panzano (tragitto di una decina di chilometri da Sagrado a Monfalcone) e le sue centrali di Fogliano, Redipuglia, Ronchi, Monfalcone Anconetta e Monfalcone Porto fornivano energia alle concerie Acquaroli, al cotonificio di Vermegliano e a varie fabbriche di Monfalcone. Nel maggio 1915 il canale fu addirittura protagonista dell inizio della Grande Guerra, con l avanzata italiana contrastata dagli austriaci tramite la sua esondazione. Oggi il Canale de Dottori è caratterizzato da una portata poco variabile durante i vari periodi dell anno; sfociando però in mare l ultima centrale (quella di Monfalcone Porto) è soggetta a un salto sensibilmente variabile durante le ore del giorno a causa della presenza del livello di marea sulla mandata e quindi a una oscillazione della prevalenza idraulica disponibile (figura 2). Nella soluzione classica (adottata nel precedente revamping della centrale negli anni Novanta) tra le turbine Kaplan e i generatori era interposto un moltiplicatore di giri con rinvio ad angolo retto: a causa della velocità di rotazione praticamente imposta dalla rete elettrica l unica regolazione possibile per il punto di lavoro consisteva nella variazione coordinata degli angoli di attacco delle pale della girante e del diffusore delle turbine. Questa soluzione però comporta sempre uno sfruttamento non ottimale del diagramma collinare della turbina (il diagramma collinare è l insieme delle superfici iso-rendimento nel piano portata-prevalenza della turbina). Fig. 2 Sezione della centrale di Monfalcone Porto Fig. 3 - Nuovi generatori gemelli prima dell installazione 45

4 Principali caratteristiche tecniche del nuovo impianto Turbine idrauliche tipo Kaplan a pale orientabili portata per turbina 7,4 m 3 /s prevalenza massima 4,5 m prevalenza minima 3,2 m Generatori tipo GMP 800 V32 campo di velocità giri/min potenza nominale 305 kw coppia quadratica con la velocità raffreddamento IC 70 W tipo di montaggio IM 3091 tensione nominale 435 V numero di poli 32 (16 coppie polari) rendimento nominale 98,2% livello di pressione sonora 65 db(a) sovravelocità 700 giri/min classe termica di isolamento F/B grado di protezione IP44 Convertitori inverter GT5W340 AFE GT3W340 tensione 500 V c.a. / 675 V c.c. corrente 510 A raffreddamento ad acqua algoritmo di controllo sensorless Fig. 4 Prima del revamping: gruppi asincroni da 179 kw, 150 giri/ min e moltiplicatore di giri a 90 Fig. 5 Dopo il revamping: gruppi a magneti permanenti da 305 kw, giri/min ad accoppiamento diretto Dal momento che nella catena di conversione da turbina a generatore e a trasformatore l elemento determinante al fine del rendimento complessivo è di gran lunga la turbina, ne consegue che con la soluzione classica il punto di lavoro ottimale può essere sfruttato solo per brevi intervalli durante tutta la giornata. In pratica nei sistemi a prevalenza variabile la soluzione classica comporta un rilevante abbassamento della produttività. Nella nuova soluzione introdotta, i generatori sono accoppiati direttamente alla turbina idraulica (senza ingranaggi moltiplicatori, loro olio e potenza persa) e la velocità di rotazione è coordinata istante per istante all angolo di attacco delle pale della girante in funzione della prevalenza disponibile. In questo modo il rendimento della turbina, e dell intera catena di conversione, viene portato ai massimi livelli in qualsiasi condizione di marea e di portata d acqua. Di conseguenza, la produttività aumenta e il tempo di ritorno dell investimento diminuisce. Aumento da 197 a 305 kw della potenza I generatori a magneti permanenti sviluppati da ASI (figura 3) sono stati cuciti su misura sui requisiti di coppia, velocità e di altri vincoli delle turbine: vista la disponibilità d acqua corrente sono stati raffreddati a fluido tramite un mantello nel quale circola forzatamente lo stesso liquido che asporta le perdite dei convertitori. I generatori lavorano ad asse inclinato e hanno il rotore forato per il passaggio dell asta di controllo angolo pale girante. I generatori sono connessi a inverter e la potenza convertita è gestita verso la rete tramite active front end. Nonostante la tensione nominale del sistema sia di soli 400 V, essendo basati su di un rotore a magneti permanenti e potenzialmente soggetti alla velocità di fuga della turbina, sono 46

5 stati dimensionati strutturalmente per 700 giri/ min e isolati per una tensione di 1000 V. La configurazione elettromagnetica selezionata è basata su una classica architettura a flusso radiale a rotore interno con magneti superficiali e bietta di chiusura cava parzialmente magnetica. La polarità selezionata per rispondere al meglio ai vincoli dati è di 32 poli, che è un numero relativamente alto tenendo conto che hanno altezza d asse di soli 800 mm. Tuttavia, grazie sia alla flessibilità della soluzione a magneti permanenti sia allo sforzo progettuale sviluppato, il risultato finale è comunque assialmente compatto (tanto che i generatori stoccati di fianco a dei sincroni standard somigliano a bonsai degli stessi). Il rendimento è superiore al 98%. A causa della migliorata efficienza dei gruppi, la potenza elaborata dai generatori è superiore di ben un terzo rispetto al valore precedente al revamping (da 197 a 305 kw) (figura 4 e figura 5). Per mantenere la promessa di impatto ambientale nullo, sia il fluido di raffreddamento sia il grasso lubrificante dei cuscinetti sono ecologici: anche in caso di guasto e fuoriuscita non è prevista alcuna ricaduta ambientale. Come tutte le altre centrali del Canale de Dottori, anche la centrale di Monfalcone Porto oggetto del revamping è completamente telecomandata. Le macchine sono state installate nel gennaio scorso e hanno iniziato la produzione due mesi dopo. Anche altri turbinisti guardano con interesse alla soluzione idraulica a velocità variabile, e in particolare all accoppiata tra magneti permanenti e accoppiamento diretto alla turbina sviluppata. Soluzione che, anche se su piccola scala, ambisce a coniugare il passato e il futuro di una risorsa preziosa. Fabio Luise ha conseguito il dottorato di ricerca in ingegneria elettrotecnica a Padova ed è entrato in Ansaldo Sistemi Industriali nel 2004 come progettista elettromagnetico di macchine elettriche rotanti per applicazioni speciali. Responsabile dell ufficio Progetti Innovativi, è autore di numerose pubblicazioni scientifiche e di due brevetti internazionali. Dal 2008 con un gruppo di specialisti si dedica esclusivamente ai sistemi di conversione energetica basati su macchine a magneti permanenti nel campo dei MW. Il gruppo è attivo in uno spettro di interessi che spazia dai generatori ad accoppiamento diretto e ibrido per energie rinnovabili (eolici, idraulici, marini), agli azionamenti motore ad altissima velocità ed elevato rendimento. Cristina Scorlini è entrata in Ansaldo Sistemi Industriali nell aprile In azienda ha ricoperto diversi ruoli attinenti all area logistica, a quella commerciale e al Project Management. Dal 2006 ricopre il ruolo di Project Manager principalmente per la linea di motori in corrente continua per applicazioni siderurgiche, impianti a fune, e per sistemi di propulsione navale. Recentemente ha assunto la responsabilità della gestione dei progetti innovativi, in particolare dei sistemi basati sulla tecnologia a magneti permanenti. 47