Riduzione del consumo di energia mediante strategie di consumo predittive

Una caratteristica chiave del controllore EPower è la gestione predittiva dei carichi, che utilizza strategie di controllo proprietarie in combinazione con la modalità di innesco a ciclo completo per ridurre al minimo i consumi energetici e i relativi costi; ne traggono particolare vantaggio le applicazioni multizona come, ad esempio, nei forni di produzione del vetro piano (roof heating e lehr heating).

Problemi con l’innesco ad angolo di fase

I sistemi di riscaldamento elettrico, come boosting, isolamento in fibra di vetro, bushings impiegati per la produzione di fibra di vetro di rinforzo e isolamento, bagni di stagno e ricottura utilizzano normalmente SCR (silicon controlled rectifier) o controllori a tiristori, con modalità di innesco tipicamente ad angolo di fase. Anche se questo metodo offre un controllo regolare della potenza, presenta due svantaggi principali; la distorsione delle armoniche e un fattore di potenza scadente (cos φ).

I fornitori di energia elettrica applicano un sovrapprezzo o calcolano un costo aggiuntivo nella loro tariffa al kWh quando il fattore di potenza scende al di sotto di circa 0,9 (o quando vengono superati i limiti di assorbimento concordati). In un anno, questo si può tradurre in migliaia, o addirittura decine di migliaia di euro, a seconda della dimensione dell’impianto. I problemi causati dall’innesco ad angolo di fase, come armoniche, RFI (interferenza a radiofrequenza), perdite di linea, sprechi di energia (kVAr) e surriscaldamento dei trasformatori, comportano anche la necessità per le apparecchiature di compensare tali disturbi. Ad esempio, potrebbe essere necessario installare sistemi di filtraggio attivi o passivi potenzialmente costosi.

Vantaggi dell’innesco a ciclo completo

Se l’applicazione lo consente, il modo più semplice per aumentare il fattore di potenza è quello di non utilizzare più l’innesco ad angolo di fase per scegliere quello a ciclo completo, noto anche come zero cross o burst firing. In questa modalità di innesco è previsto un periodo di modulazione entro il quale l’SCR è adattato al fabbisogno di energia con uno o più cicli completi.

In teoria, l’innesco a ciclo completo darà luogo a un fattore di potenza pari a 1, ma a causa degli inevitabili carichi induttivi legati ai trasformatori e al cablaggio, in un tipico sistema di melting il fattore di potenza complessivo sarà circa > 0,9. Evitando gli effetti dell’angolo di fase, questo tipo di sistema funzionerà al massimo fattore di potenza raggiungibile.

Un aspetto negativo dell’innesco a ciclo completo è che può introdurre un effetto di sfarfallio (variazione della tensione principale), che può avere effetti sui motori e creare un disturbo della visuale (sfarfallio della luce, simile ad una luce fluorescente). Questo effetto può diventare più intenso in applicazioni a potenza elevata, e controllate da più SCR, come il bagno di stagno e il riscaldamento dei forni di ricottura, quando sono in funzione molte zone. Poiché questi sistemi possono facilmente contenere più di 40 zone che funzionano a diversi livelli di potenza e setpoint variabili, se non adeguatamente controllati, è possibile che vengano generati picchi di potenza elevati e non controllati. Così, molte zone innescate casualmente nel tempo aumenteranno potenzialmente il rischio di consumi molto elevati.

In molti paesi, gli utenti si trovano a pagare costi aggiuntivi quando vengono superati i limiti concordati con il fornitore di energia. Inoltre, i picchi di energia non controllati potrebbero incidere sulla produzione di energia di emergenza, ad esempio sui generatori diesel, che potrebbero intervenire in caso di domanda instabile di energia.

Se la domanda complessiva di energia di un sistema multizona non viene controllata, diventa anche necessario poter disporre di una riserva di energia, in base al valore del picco massimo raggiungibile e accettarne il conseguente costo aggiuntivo. Negli impianti esistenti in fase di ammodernamento, si stanno aggiornando i prodotti o si sta aumentando la capacità di produzione, così facendo il carico aggiuntivo può richiedere una quantità di potenza superiore rispetto a quella progettata per l’impianto e di conseguenza causare sovraccarichi o blackout.

Soluzione per il risparmio di energia

Sia l’elevata domanda di potenza di picco che un basso fattore di potenza comportano costi energetici più elevati e maggiori emissioni di CO₂. Come soluzione, la funzione PLM (predictive load management) EPower di Eurotherm ridurrà notevolmente gli svantaggi della modalità di innesco a ciclo completo..

Il sistema di gestione dell’alimentazione EPower si basa su un modulo di controllo in grado di controllare fino a quattro stack di alimentazione a tiristori in una configurazione simile a un PLC. Possono essere integrati insieme fino a 63 moduli di controllo tramite una rete veloce per diventare un sistema di controllo della potenza intelligente e flessibile in grado di gestire efficacemente le esigenze di impianti di riscaldamenti sia su piccola che su larga scala. Questi possono variare da linee di piegatura in vetro, forni di tempera e autoclavi, fino a bagni di vetro float, ricottura e forni boosting a più zone.

La funzione PLM di EPower guida le richieste di potenza per bilanciarle costantemente, impedendo picchi di carico.

In che modo le strategie predittive possono aiutare?

Nei sistemi multizona che utilizzano l’innesco a ciclo completo, la PLM può ridurre i picchi di potenza bilanciando o distribuendo automaticamente la domanda su molti carichi. Effettivamente “smussa” la domanda media di energia sulla distribuzione, mantenendo contemporaneamente la potenza desiderata per ciascuna di queste zone. Inoltre, ottimizza e limita il consumo massimo consentito di potenza di picco del sistema.

Gestire l’energia elettrica in questo modo riduce notevolmente il consumo energetico e i relativi costi di utenza e apparecchiature. L’utilizzo efficiente di energia si traduce anche in una riduzione considerevole delle emissioni di CO₂ nell’atmosfera.

Conclusioni

Il miglioramento del fattore di potenza per ridurre gli sprechi energetici, il controllo della domanda e la riduzione dei picchi di consumo durante i periodi di massima accensione possono comportare risparmi considerevoli. Inoltre, la funzione PLM contribuisce a migliorare la qualità dell’alimentazione principale, riducendo in ultima analisi le emissioni di CO₂ . Il rischio di interruzioni di corrente è ridotto e si riduce la frequenza delle riparazioni.

Il gruppo Eurotherm che si occupa del vetro a livello globale può collaborare con i clienti nelle prime fasi di progettazione per aiutarli a concretizzare i vantaggi, prima di costruire un nuovo impianto e negoziare i relativi contratti energetici. Non è semplice comprendere le strategie di controllo dell’alimentazione SCR, Eurotherm rende disponibile un “libro bianco” che spiega la gestione predittiva del carico, disponibile nella pagina di questo sito dedicata alle soluzioni per il vetro.

Riconoscimenti

Gli autori desiderano riconoscere il contributo di Yves Level e Mikael Le Guern alla strategia brevettata di “Predictive Load Management”.

Informazioni sull’autore:

Un ringraziamento speciale all’ex Business Leader di Global Glass di Eurotherm, René Meuleman, per aver scritto il contenuto originale di questo articolo.

La versione completa di questo articolo appare nel numero di settembre/ottobre 2019 di Glass Worldwide.