Garantire la stabilità della rete: trasformatori per applicazioni di energia rinnovabile

Jul 10, 2023

I trasformatori sono componenti critici che raccolgono l'energia generata e ne aumentano il livello di tensione nella stazione di pooling prima di sincronizzarla e immetterla nel sistema di trasmissione interstatale o intrastatale. La loro disponibilità e longevità possono avere un impatto significativo sull’affidabilità della rete e migliorare il controllo della tensione, anche con fornitura intermittente. Dopo l’accordo di Parigi e il vertice COP26, i paesi di tutto il mondo hanno fissato obiettivi ambiziosi in materia di energia rinnovabile. Con la crescente penetrazione delle energie rinnovabili, grandi oscillazioni di carico in tempi relativamente brevi sono diventate inevitabili, con un impatto sia sulle reti di trasmissione che su quelle di distribuzione (T&D). La complessità della rete elettrica è ulteriormente accresciuta, tra gli altri fattori, dai carichi non lineari provenienti dai data center e dalle stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Per superare questo problema, l’impiego di trasformatori specializzati sta guadagnando terreno per il fotovoltaico distribuito (PV) e la generazione eolica.

Opzioni tecnologiche

Il tipo più comune di trasformatore utilizzato nelle applicazioni di energia rinnovabile è il trasformatore inverter. La corrente continua (CC) generata dalle celle fotovoltaiche viene convertita in corrente alternata (CA) dagli inverter e la potenza CA è collegata alla rete elettrica tramite un trasformatore elevatore. Sincronizzano la potenza CA in uscita con la frequenza di fase e la tensione della rete esistente per immettere energia fotovoltaica nella rete. Gli inverter fotovoltaici sono altamente efficienti e immettono nella rete una quantità minima di corrente continua, armoniche o potenza reattiva. Tuttavia, i sistemi di energia solare devono affrontare sfide progettuali a causa delle dimensioni limitate dell’inverter solare, il più grande dei quali è di circa 500 kVA. Le restrizioni sulla dimensione dell'inverter impongono anche limitazioni sulla dimensione dei sistemi fotovoltaici. Di conseguenza, il progresso della tecnologia degli inverter è stato lento.

I trasformatori di isolamento vengono generalmente utilizzati per proteggere gli inverter dalle sovratensioni lato rete e impedire qualsiasi iniezione di CC dall'inverter nella rete. Molti modelli di inverter sono dotati di trasformatori di isolamento integrati. Tuttavia, a causa dell’aumento dei costi e della diminuzione dell’efficienza, molti scelgono di acquistare inverter senza di essi. I trasformatori di isolamento non sono necessari se l'impianto fotovoltaico utilizza un altro trasformatore, ad esempio un trasformatore elevatore.

Per la gestione e la trasmissione di volumi sostanziali di elettricità da impianti di energia rinnovabile variabili, stanno guadagnando terreno sia i trasformatori a secco che i trasformatori a liquido. In un trasformatore a secco gli avvolgimenti e il nucleo sono racchiusi in un serbatoio sigillato riempito con aria o gas sotto pressione. Questi trasformatori vengono utilizzati per collegare fonti di energia rinnovabile alla rete o al carico, come turbine eoliche, pannelli solari e impianti idroelettrici. Nel frattempo, i trasformatori riempiti di liquido utilizzano olio minerale, esteri sintetici e fluidi esteri naturali. Ciò li rende adatti per un'ampia gamma di applicazioni, dagli impianti solari su tetto residenziali a quelli commerciali e industriali, e progetti eolici con montaggio su pad onshore o a terra, su torri offshore o su gondola.

Inoltre, nei prossimi anni, l’aumento delle installazioni sui tetti porterà un numero maggiore di prosumatori disposti a vendere elettricità alla rete durante il giorno e a ritirarla nelle ore non di punta. Il passaggio ai trasformatori intelligenti garantirà un flusso bidirezionale di energia dalla rete agli edifici, nonché dai consumatori alla rete. Ciò garantirà che l’elettricità venga estesa ai consumatori che ne hanno bisogno durante le ore di punta a prezzi competitivi, eliminando la necessità. I trasformatori intelligenti consentiranno inoltre alle reti di diventare più resilienti alla volatilità e all’instabilità della rete di vario tipo.

I trasformatori a stato solido (SST) sono costituiti da circuiti di controllo, semiconduttori ad alta potenza e trasformatori ad alta frequenza. Questi trasformatori facilitano le conversioni AC-DC e DC-AC senza soluzione di continuità e offrono un maggiore controllo sulle reti di distribuzione dell'energia. Quando integrati nella rete elettrica, gli SST gestiscono in modo indipendente le variazioni di tensione. Questi trasformatori sono più robusti, affidabili, efficienti e relativamente meno costosi rispetto ai trasformatori convenzionali. Gli SST sono più comunemente utilizzati nelle fonti di energia rinnovabile come l'energia solare ed eolica, nonché nelle locomotive di trazione. Inoltre, si prevede che l’invecchiamento dell’infrastruttura T&D sosterrà la crescita del mercato SST.