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.
L
a 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
Impiantistica Italiana • Anno XXIV N. 4 luglio-agosto 2011
43
Impianto mini–idroelettrico con generatori a magneti permanenti
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.
44
Impiantistica Italiana • Anno XXIV N. 4 luglio-agosto 2011
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.
Impianto mini–idroelettrico con generatori a magneti permanenti
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 CoVer 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
Impiantistica Italiana • Anno XXIV N. 4 luglio-agosto 2011
45
Impianto mini–idroelettrico con generatori a magneti permanenti
Principali caratteristiche tecniche
del nuovo impianto
Turbine idrauliche
•
•
•
•
tipo Kaplan a pale orientabili
portata per turbina 7,4 m3/s
prevalenza massima 4,5 m
prevalenza minima 3,2 m
Generatori
•
•
•
•
•
•
•
tipo GMP 800 V32
campo di velocità 170 - 240 giri/min
potenza nominale 305 kW
coppia quadratica con la velocità
raffreddamento IC 70 W
tipo di montaggio IM 3091
tensione nominale 435 V
Fig. 4 – Prima del revamping: gruppi asincroni da 179 kW, 150 giri/
min e moltiplicatore di giri a 90°
•
•
•
•
•
•
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
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
Fig. 5 – Dopo il revamping: gruppi a magneti permanenti da 305 kW,
180-240 giri/min ad accoppiamento diretto
46
Impiantistica Italiana • Anno XXIV N. 4 luglio-agosto 2011
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
Impianto mini–idroelettrico con generatori a magneti permanenti
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 1989. 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.
Impiantistica Italiana • Anno XXIV N. 4 luglio-agosto 2011
47