Trasformatori elettrici per l'efficientamento Francesco Colla Presidente commissione tecnica Trasformatori dell ANIE energetico. 1 Giornata dell efficienza energetica in ambito industriale Rimini 7 novembre 2013
INDICE Introduzione Nuovo regolamento europeo per i trasformatori Tecnologie disponibili Costo Capitalizzato del Trasformatore Pay-Back 2
Introduzione Andamento dell emissione di CO2 e proposta di misure di rivolte a mantenere la sua concentrazione a 450 ppm. 40 Emissione dico2 (Gigaton) Andamento corrente 57% Efficienza energetica 30 20% 10% 10% Rinnovabili Nucleare CCS* *Carbon capture and storage Biocarburanti (3%) 20 2000 2007 2020 2030 Source: IEA (International Energy Agency, World Energy Outlook 2009
Nuovo regolamento europeo per i trasformatori Nel quadro del risparmio energetico, per quanto riguarda i prodotti elettrici la CE ha già emesso regolamenti ( in accordo con la Eco design Directive 2009/125/EC) che vietano la circolazione di prodotti poco efficienti, avendo già regolamentato per es. le lampade ed i motori. Anche i trasformatori sono stati presi in considerazione da un punto di vista del miglioramento dell efficienza e saranno fatti oggetto di un regolamento che andrà in vigore presumibilmente a partire dal 2015. Per quanto riguarda i trasformatori di distribuzione il regolamento copia i valori contenuti nelle Norme Europee: CEI EN 50541-1:2011-04, Trasformatori trifase di distribuzione di tipo a secco. CEI EN 50464-1: 2007-08, Trasformatori trifase di distribuzione immersi in olio
a.1) Specific requirements for three-phase medium power transformers with rated power 3150kVA Table I.1: Maximum load and no-load losses for three-phase liquid-immersed medium power transformers with the high-voltage winding rated 24 kv and the other winding rated 1,1 kv Tier 1 (from 1 July 2015) Tier 2 (from 1 July 2021) RATED POWER (kva) Maximum load losses (in Watts) * Maximum no-load losses (in Watts)* Maximum load losses (inwatts)* 5 Maximum no-load losses (in Watts)* 25 Ck (900) Ao(70) Ak(600) Ao-10% (63) 50 Ck (1100) Ao(90) Ak(750) Ao-10%(81) 100 Ck (1750) Ao(145) Ak(1250) Ao-10%(130) 160 Ck (2350) Ao(210) Ak(1750) Ao-10%(189) 250 Ck (3250) Ao(300) Ak(2350) Ao-10%(270) 315 Ck (3900) Ao(360) Ak(2800) Ao-10%(324) 400 Ck (4600) Ao(430) Ak(3250) Ao-10%(387) 500 Ck (5500) Ao(510) Ak(3900) Ao-10%(459) 630 Ck (6500) Ao(600) Ak(4600) Ao-10%(540) 800 Ck (8400) Ao(650) Ak(6000) Ao-10%(585) 1000 Ck (105000) Ao(770) Ak(7600) Ao-10% (693) 1250 Bk (11000) Ao(950) Ak(9500) Ao-10%(855) 1600 Bk(14000) Ao(1200) Ak(12000) Ao-10%(1080) 2000 Bk (18000) Ao(1450) Ak(15000) Ao-10%(1305) 2500 Bk (22000) Ao(1750) Ak(18500) Ao-10%(1575) 3150 Bk (27500) Ao(2200) Ak(23000) Ao-10%(1980)
Table I.2: Maximum load and no-load losses for three phase dry-type medium power transformers with the highvoltage winding rated 24 kv and the other winding rated 1,1kV Tier 1 (1 July 2015) Tier 2 (1 July 2021) RATED POWER (kva) Maximum load losses (in Watts)* Maximum no-load losses (in Watts)* Maximum load losses (in Watts)* Maximum no-load losses (in Watts)* 50 Bk (1700) Ao(200) Ak(1500) Ao-10%(180) 100 Bk (2050) Ao(280) Ak(1800) Ao-10%(252) 160 Bk (2900) Ao(400) Ak(2600) Ao-10%(360) 250 Bk (3800) Ao(520) Ak(3400) Ao-10%(468) 400 Bk (5500) Ao(750) Ak(4500) Ao-10%(675) 630 Bk (7600) Ao(1100) Ak(7100) Ao-10%(990) 800 Ak (8000) Ao(1300) Ak(8000) Ao-10%(1170) 1000 Ak (9000) Ao(1550) Ak(9000) Ao-10%(1395) 1250 Ak (11000) Ao(1800) Ak(11000) Ao-10%(1620) 1600 Ak (13000) Ao(2200) Ak(13000) Ao-10%(1980) 2000 Ak (16000) Ao(2600) Ak(16000) Ao-10%(2340) 2500 Ak (19000) Ao(3100) Ak(19000) Ao-10%(2790) 3150 Ak (22000) Ao(3800) Ak(22000) Ao-10%(3420) 6
Tabella Perdite a carico tratta dalla Tabella 2 delle norme EN 50464-1 (Um 24 kv) Potenz a (kva) Dk Ck Bk Ak Ak rispetto Dk Zcc (kva) (W) (W) (W) (W) (%) (%) 50 1350 1100 875 750-44 4 100 2150 1750 1475 1250-42 4 160 3100 2350 2000 1700-45 4 250 4200 3250 2750 2350-44 4 400 6000 4600 3850 3250-46 4 630 8400 6500 5400 4600-45 4 630 8700 6750 5600 4800-45 6 800 10500 8400 7000 6000-43 6 1000 13000 10500 9000 7600-42 6 1250 16000 13500 11000 9500-41 6 1600 20000 17000 14000 12000-40 6 2000 26000 21000 18000 15000-42 6 2500 32000 26500 22000 18500-42 6
Tabella Perdite a voto tratta dalla Tabella 3 delle norme EN 50464-1 (Um 24 kv) Potenz a E0 D0 C0 B0 A0 A0 rispetto E0 Zcc (kva) (W) (W) (W) (W) (W) (%) (%) 50 190 145 125 110 90-38 4 100 320 260 210 180 145-44 4 160 460 375 300 260 210-44 4 250 650 530 425 360 300-43 4 400 930 750 610 520 430-43 4 630 1300 1030 860 730 600-42 4 630 1200 940 800 680 560-40 6 800 1400 1150 930 800 650-43 6 1000 1700 1400 1100 940 770-45 6 1250 2100 1750 1350 1150 950-46 6 1600 2600 2200 1700 1450 1200-45 6 2000 3100 2700 2100 1800 1450-46 6 2500 3500 3200 2500 2150 1750-45 6
Tabella Perdite tratta dalla Tabella 5 delle norme EN 50541-1 (Um 17,5 e 24 kv, Zcc = 6%) Perdite a carico Perdite a vuoto Potenza Ak Bk Ak rispetto Bk A0 B0 C0 A0 rispetto C0 (kva) (W) (W) (%) (W) (W) (W) (%) 100 1800 2050-12 280 340 460-39 160 2600 2900-10 400 480 650-38 250 3400 3800-11 520 650 880-41 400 4500 5500-18 750 940 1200-38 630 7100 7600-7 1100 1250 1650-33 800 8000 9400-15 1300 1500 2000-35 1000 9000 11000-18 1550 1800 2300-33 1250 11000 13000-15 1800 2100 2800-36 1600 13000 16000-19 2200 2400 3100-29 2000 16000 18000-11 2600 3000 4000-35 2500 19000 23000-17 3100 3600 5000-38 3150 22000 28000-21 3800 4300 6000-37
Confronto perdite A0, Ak secco-olio Trasformatori in olio Perdite EN 50541-1 Trasformatori a secco Perdite EN 50464-1 Variazione secco vs olio Potenz a A vuoto A carico A vuoto A carico Perdite a vuoto Perdite a carico (kva) A0 (W) AK (W) A0 (W) AK (W) (%) (%) 250 300 3400 520 2350 73-31 400 430 4500 750 3250 74-28 630 560 7100 1100 4800 96-32 1000 770 9000 1550 7600 101-16 1600 1200 13000 2200 12000 83-8 2500 1750 23000 3100 15000 77-35
Nuovo regolamento europeo per i trasformatori Per rientrare nei valori della Tabella delle slides precedenti nella Fase 1, (dal luglio 2015), oltre ai normali interventi per ridurre le perdite che consistono principalmente nell abbassare: l induzione per le perdite a vuoto la densità di corrente per le perdite a carico é possibile l adozione di lamierini a più bassa cifra di perdita che permettono di contenere massa e dimensioni del trasformatore.
Nuovo regolamento europeo per i trasformatori La Tabella seguente elenca i lamierini magnetici (Fe-Si) a grani orientati, utilizzati dai costruttori di trasformatori, per spessore decrescente. Pos. Denominazione Tipo Spessore nominale (mm) Perdite Specifiche 50 Hz, 1.7T (W/kg) Variazione rispetto a 30M5 (%) 1 35M6 0,35 1,60 14 2 30M5 0,30 1,40 0 3 30M0H 0,30 1,05-25 4 30M1H 0,30 1,11-21 5 30M2H 0,30 1,17-16 6 30M3H 0,30 1,23-12 7 27M4 0,27 1,32-6 8 27MOH 0,27 1,03-26 9 27M1H 0,27 1,09-22 10 27MZH(*) 0,27 0,93-34 11 23MOH 0,23 0,95-32 12 23MZH(*) 0,23 0,82-41 (*) lamierini trattati al laser
Tecnologie disponibili Per quanto riguarda la tecnologia costruttiva i trasformatori si suddividono principalmente in due tipi: Trasformatori isolati in olio Trasformatori isolati in resina
Tecnologie disponibili Trasformatori isolati in olio I trasformatori isolati in olio, sono quelli di gran lunga più usati. Essi sono la quasi totalità dei trasformatori impiegati da Enel. Essi sono caratterizzati da: basse perdite rumore molto contenuto assenza di manutenzione (per i tipi con cassa ermetica) elevata resistenza agli shocks termici installazione all esterno quasi totale riciclabilità dei materiali a fine vita
Tecnologie disponibili Trasformatori a secco I trasformatori isolati in resina, sono stati sviluppati come una delle possibili soluzioni volte a minimizzare i rischi d incendio e conseguente contaminazione dell ambiente, che possono essere connessi con l impiego di trasformatori isolati in olio. Le applicazioni tipiche sono quindi: Edifici ad alta densità abitativa Centri commerciali Ospedali Metropolitane Impianti di generazione eolica e fotovoltaica Piattaforme per l estrazione di idrocarburi Navi Impianti petrolchimici Centrali nucleari, ecc.
TRASFORMATORI A SECCO Il mercato privato italiano è per l 80% costituito da trasformatori a secco, per questo ci soffermiamo ad analizzare il miglioramento dell efficienza possibile per questi trasformatori. La tabella seguente è una mappa delle possibili combinazioni. Perdite a carico Bk Ak Ak-20% Perdite a vuoto A0 B0 Ak A0 C0 Standard 16
Costo Capitalizzato del Trasformatore La riduzione delle perdite comporta importanti benefici per l ambiente legati alla minor emissione di gas serra. Un trasformatore con perdite ridotte ha un costo d acquisto maggiore. Perché spendere di più? Sarà necessario farlo quando entrerà in vigore il Regolamento Europeo, ma se nel valutare l acquisto del trasformatore si calcola il costo capitalizzato, può risultare conveniente, fin da subito, acquistare un trasformatore a basse perdite. 17
Costo capitalizzato Dimensionamento ottimo del trasformatore Il dimensionamento che si prefigge il costo minimo di fabbricazione ha come risultato un incremento delle perdite e del costo di esercizio per l acquirente e l esercente del trasformatore D altra parte una riduzione delle perdite causa un maggior costo di fabbricazione La soluzione più conveniente dal punto di vista del costo totale é rappresentata dal minimo della somma del costo di fabbricazione più il costo delle perdite. (vedi grafico)
Costo capitalizzato del trasformatore Tra le varie strategie di scelta di un trasformatore, il criterio più corretto è quello di considerare il trasformatore che presenta il costo capitalizzato più basso, in particolare la scelta di un trasformatore a perdite ridotte oltre a determinare una riduzione del costo in bolletta ha come effetto una riduzione dell emissione di gas serra. Il costo totale del trasformatore per l utilizzatore è costituito dalla somma di due componenti principali: 1. Il costo iniziale che a sua volta risulta dalla somma del prezzo d acquisto e del costo d installazione. 2. I costi operativi che sono collegati principalmente al funzionamento del trasformatore.
Costo capitalizzato del trasformatore Il modo semplificato più generalmente usato per calcolare il costo capitalizzato di un trasformatore è espresso dalla formula seguente: dove: CC = costo capitalizzato; CC = CA + AP0 + BPk CA = costo per l acquisto del trasformatore; A = fattore di capitalizzazione delle perdite a vuoto espresso in /kw P0 = perdite a vuoto garantite in kw; B = fattore di capitalizzazione delle perdite dovute al carico espresso in /kw
Costo capitalizzato del trasformatore Il primo termine genera costi connessi al capitale impiegato Il secondo termine che comprende i costi di esercizio riguarda soprattutto il costo dell energia necessaria ad alimentare le perdite del trasformatore, ed è di gran lunga superiore al costo iniziale (più del doppio) se calcolato su una vita media superiore a 30 anni. Il costo delle perdite (che rappresenta di solito circa il 70% del costo capitalizzato) si genera durante la vita del trasformatore, detto costo è attualizzato mediante i fattori A e B. Il calcolo di questi fattori lo vedremo più avanti. P0 e Pk sono dati tipici del trasformatore, A e B dipendono dal profilo di carico del trasformatore e dal prezzo dell energia.
Costo capitalizzato del trasformatore Calcolo dei coefficienti A e B ABB Group 20/11/13 Slide 22 Per poterli calcolare opportunamente occorre sapere: Quante ore l anno il trasformatore è energizzato (tipicamente sempre = 8760 ore) Quante ore l anno il trasformatore lavora con un carico collegato (ad es. una cartiera che lavora 6 gg/settimana può essere sulle 6.500 ore) A quale % della sua potenza lavora mediamente (tipicamente un trasformatore di distribuzione è sempre sovradimensionato e siamo sotto il 50%) Quanto costa il kwh? Che aspettative ci sono di sviluppo dei consumi?
Costo capitalizzato del trasformatore Si calcolano di seguito i fattori A e B Dove: A = n p d 8760 1 + 1 100 100 n i 1 + p 100 8760 sono le ore di annuali in cui il trasformatore è tenuto in tensione d = è il costo attuale dell energia p = è l incremento di costo medio per anno dell energia n = è il numero di anni richiesti per il ritorno dell investimento i = tasso di inflazione annuale media
Costo capitalizzato del trasformatore B = I 2 eqinit 8760 d i 1 + 100 n 2 z 1 + 100 z 1 + 100 2 p 1 + 1 100 p 1 + 1 100 n Dove per i nuovi parametri si ha: Ieqinit = in per unità della corrente nominale del trasformatore prevista per il primo anno di servizio z = è l incremento della corrente di carico per anno negli anni successivi
Tempo di rientro (Pay-Back) della differenza del costo d acquisto di trasformatori di diversa efficienza In alternativa al costo capitalizzato, si può considerare il tempo di rientro dell investimento (Pay-Back), meno accurato, ma di più semplice utilizzo. Si tratta di confrontare il costo di acquisto di 2 trasformatori, con diversa efficienza, e di considerare il risparmio economico annuale dovuto alla maggiore efficienza. Dividendo la differenza dei costi d acquisto, ovvero il maggior costo del trasformatore più efficiente, per il risparmio annuale si ottiene il tempo in cui l investimento si ripaga, dopo di che è tutto risparmio. Attenzione, pur essendo molto veloce e molto usato, non è il sistema più corretto perché guarda ad un orizzonte temporale molto breve e non tiene nella dovuta considerazione tra l atro, la probabile crescita del costo dell energia elettrica negli anni e l attualizzazione del.
Payback Il ritorno dell'investimento in anni quando si acquista un trasformatore a perdite ridotte invece di uno a perdite standard è espresso dalla seguente formula: n = (C AR - C AS )/[A(P 0R -P 0S ) + B(P KR -P KS )] La formula vale per un numero limitato di anni per cui si possa in prima approssimazione prescindere da alcune variabili quali: l'inflazione, l'aumento del costo dell'energia, l'incermento del carico dovuto all'espansione dell'attività. dove: C AR = costo d'acquisto di un trasformatore a perdite ridotte C AS = costo d'acquisto di un trasformatore a perdite standard A = costo specifico annuale delle perdite a vuoto espresso in /kw P 0S = perdite a vuoto garantite del trasformatore standard (nel data sheet del cliente) in kw; P 0R = perdite a vuoto garantite del trasformatore a perdite ridotte (nell'offerta ABB) in kw; B = costo specifico annuale delle perdite dovute al carico espresso in /kw P KS = perdite dovute al carico garantite del trasformatore a perdite standard (nel data sheet del cliente) in kw P KR = perdite dovute al carico garantite del trasformatore a perdite ridotte (nell offerta ABB) in kw.
Calcolo del fattore A Dati d'ingresso (in rosso) Leggenda Payback 8760 sono le ore di annuali in cui il trasformatore è tenuto in tensione e sono dissipate le perdite a vuoto d = 0,15 /kwh è il costo attuale dell energia Risultato (in verde) A = 1314 /kw Calcolo del fattore B Calcolo delle ore equivalenti a pieno carico annue in cui sono dissipate le perdite a carico esse dipendono dal numero di turni di lavoro, dalle ore per turno, dai giorni lavorati nell'anno e dal carico effettivo secondo la seguente tabella Dati d'ingresso (in rosso) N turni ore/anno ore/turno Risultato (in verde) giorni/ anno Carico Ore eq./anno 2 3200 8 200 0,7 1568 B = 235 /kw
Payback Calcolo comparativo trasformatore da: 1 MVA Dry Perdite (kw) Standard Ridotte P 0G = 2,6 KW 0,3 394 P 0 = 2,3 P KG = 11 KW 1,2 282 Pk = 9,8 C AR = 9500 C AS = 10600 1.100 Pay-back anni 1,6 Il ritorno del maggior investimento è di 1,6 anni. 676
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