Fabbriche a corrente continua, più che un’ipotesi?

Un convegno sponsorizzato da LAPP Italia pone all’attenzione degli addetti ai lavori i vantaggi che si avrebbero distribuendo la corrente elettrica in forma continua invece che alternata. In Germania da un paio d’anni è attiva un’iniziativa in tal senso. Ma ci sono anche svantaggi.

Le reti di distribuzione dell’elettricità portano nelle nostre case e nelle nostre fabbriche corrente alternata, ma è innegabile che gran parte degli apparecchi che alimentiamo usano al loro interno la corrente continua. E allora non avrebbe più senso distribuire direttamente corrente continua, riducendo la complessità della sincronizzazione e gli sprechi del processo di conversione AC/DC? Questo, in sintesi, l’interrogativo che si sono posti i relatori dell’evento “Rivoluzione Energetica: il futuro dell’industria è in corrente continua?” tenutosi al Palazzo dei Giureconsulti a Milano e sponsorizzato da LAPP Italia, filiale locale del Gruppo LAPP specializzato nei cavi, connettori e accessori per l’automazione.

L’evento, aperto dal managing director di LAPP Roberto Pomari, ha visto intervenire, fra gli altri, Marco Vecchio, Segretario di ANIE Automazione, Giambattista Gruosso, Professore Associato del DEIB – Politecnico di Milano, Georg Stawowy, CTO di LAPP Holding, e Gaetano Grasso, Head of Product Management and Marketing di LAPP.

Il problema

Se le nostre reti trasportano l’elettricità sotto forma di corrente alternata, è a causa di una vera e propria guerra commerciale e di brevetti che vide protagonisti, negli ultimi anni del 1800, Thomas Edison (schierato per la corrente continua) e George Westinghouse, che aveva scommesso sulla corrente alternata, insieme al geniale Nikola Tesla, artefice (anche con Galileo Ferraris) di gran parte delle scoperte e invenzioni che avevano permesso di trasformare l’elettricità da fenomeno da laboratorio a fonte di energia ad ampio spettro. Vinse Westinghouse, grazie appunto all’apporto di Tesla e a un problema insormontabile che affliggeva la corrente continua: il trasporto su lunga distanza a quei tempi non era possibile, pena la perdita della maggior parte dell’energia sotto forma di calore, a causa del bassissimo voltaggio generato dalle dinamo dell’epoca.

Da allora viviamo in un mondo percorso da cavi che portano corrente alternata. Ma, soprattutto a partire dal dopoguerra, con l’arrivo dell’elettronica di potenza, il numero di apparecchi capaci a funzionare con corrente continua è costantemente aumentato. Qualsiasi dispositivo alimentato a batteria di fatto lavora in corrente continua, ma anche molti apparecchi che alimentiamo in alternata, al loro interno hanno un trasformatore e un ponte rettificatore (o più recentemente un circuito di alimentazione “switching”) che serve a trasformare l’alternata in continua, per alimentare i circuiti. Il caricabatteria del vostro cellulare fa proprio questo: trasforma l’alternata a 220V in corrente continua a 5V.

L’opportunità

Durante il suo intervento, il professor Gruosso ha fatto notare che al centro del piano Industria 4.0 (ora Transizione 4.0) non ci sono, come molti credono, IioT e AI, non è che Industria 4.0 sia equivalente a fabbrica più cloud più Wi-fi: il tema fondamentale del progetto 4.0 è l’innovazione. E fra i molti modi di fare innovazione, uno particolarmente importante è la riduzione dei consumi, l’efficientamento energetico dei macchinari. Ora, fra le possibilità concrete per migliorare l’efficienza e l’ecosostenibilità c’è proprio quella di creare microgrid in corrente continua da fonti rinnovabili – per esempio, i pannelli fotovoltaici. La Germania ha avviato da un paio d’anni un’iniziativa in tal senso, chiamata Industry DC (per Direct Current), alla quale partecipano molte delle più grandi aziende. Ma quali sono in concreto i vantaggi dell’uso della corrente continua in un’architettura microgrid? Per prima cosa, è possibile l’integrazione diretta nella rete di forme di immagazzinamento dell’energia – batterie, in altre parole. Poi ci sono miglioramenti dell’efficienza dovuti a vari fattori. Per esempio il recupero dell’energia in frenata per i robot, l’eliminazione delle perdite da conversione AC/DC, la facile integrazione con fonti rinnovabili come il fotovoltaico o l’eolico. Infine, si semplifica l’installazione di cablaggi e apparecchi: meno cavi (non ci sono più tre fasi da gestire), nessuna problematica di sincronizzazione della frequenza portante di 50 Hz, riduzione della componentistica. Un esempio a questo proposito: è vero che la maggior parte dei motori industriali funziona in alternata, ma non certo con quella a 50 Hz. Per questo hanno bisogno di un “drive” che prenda l’alternata in ingresso, la converta in continua, e poi la riconverta nel tipo di alternata che serve per muovere il rotore. Con l’alimentazione in continua, il primo stadio di ciascun drive, responsabile di parte delle perdite da conversione, verrebbe completamente eliminato. Discorsi simili si possono fare per altri settori nei quali la corrente continua sta già riscontrando una notevole diffusione. Basti pensare ai data center, dove la continua ha iniziato a diffondersi dalle sezioni dedicate alle apparecchiature “telco” e oggi si avvia a diventare la tecnologia prevalente. O ai cavi sottomarini, dove la continua è già mainstream.

Prospettive e tendenze

Marco Vecchio ha mostrato durante l’incontro una slide di Electrify Italy, densa di informazioni: a sinistra sull’impiego crescente dell’elettricità, a destra sulle conseguenze positive. Fra i dati che emergono, la previsione che nel 2050 il 46% del fabbisogno di energia in Italia sarà coperto dall’elettricità (ora siamo sotto il 19%). Solo per il trasporto (auto elettriche), la quota passerà al 41% dall’attuale 3% e spiccioli. Inoltre, l’85% dell’energia sarà prodotta da rinnovabili, molte delle quali sono intrinsecamente in corrente continua. In conseguenza del maggiore impiego di elettricità al posto di altre fonti, si prevedono un calo delle emissioni di CO2 del 68%, risparmi sulla sanità (dovuti alla migliore qualità dell’aria) per quasi 700 miliardi di euro, un risparmio sulla bolletta energetica delle famiglie intorno al 17%, e un calo del consumo primario (grazie alla maggiore efficienza energetica) fino al 42%.

Una serie di possibili scenari sono stati mostrati da  Georg Stawowy, che ha mostrato come una rete impostata sulla continua (anche per la trasmissione a lunga distanza/alto voltaggio) abbia un’efficienza totale maggiore di quella di una rete tradizionale in alternata e anche di una rete con generazione in parte continua, trasporto in alternata e utilizzo in continua dopo conversione.

“L’Italia consuma oggi circa 321 Twh – ha dichiarato Stawowy. – se riuscissimo a migliorare l’efficienza del 10%, potremmo emettere 34,4 milioni di tonnellate di CO2 in meno ogni anno, e 23,6 milioni di tonnellate di NOx. La riduzione di consumi permetterebbe di spegnere un paio di grandi centrali, tipo la Federico II di Brindisi e la Torrevaldalica Nord a Civitavecchia”. E a riprova di questo, ha osservato che il progetto DC-Industrie2 (seconda fase del già citato DC-Industrie) è oggi uno dei più grandi progetti di ricerca in Germania, con la Mercedes impegnata nel progetto con la “Factory 56” di Sindelfingen, una smart factory 4.0 alimentata da una grid in continua, mentre Bmw e Audi hanno in cantiere progetti similari.

Applicazioni industriali

A chiudere l’incontro è stata la presentazione di Gaetano Grasso, che ha mostrato alcuni esempi pratici della maggiore efficienza raggiungibile in azienda con l’utilizzo di griglie di alimentazione in corrente continua. Per esempio impiegando nuovi driver per CC, o bypassando il primo stadio di conversione di quelli attuali alimentandoli con corrente continua da 380V. Grasso ha anche parlato 

della necessità di standardizzazione della tecnologia CC, delle sfide che interesseranno i produttori di componenti (la mancanza di standard, la necessità di rendere facile l’uso, la possibilità di scollegare sotto carico, la prevenzione o estinzione di eventuali archi elettrici…) e in particolare chi fabbrica cavi – LAPP con i suoi OLFLEX ha sicuramente molto a cuore questo aspetto – con aspetti da considerare come vita utile, comportamento degli isolanti in presenza di CC, effetti delle scariche sugli isolanti eccetera.

Tuttavia, i problemi tecnici sono risolvibili e le prospettive sono positive: riduzione delle perdite di conversione, integrazione delle energie rinnovabili, uso dell’energia di recupero e risparmi resi possibili da design più semplici e compatti sono fattori decisamente cospicui a favore della corrente continua. Non per niente LAPP ha già a catalogo soluzioni destinate alla applicazioni in corrente continua, per esempio nel fotovoltaico e nell’automotive. Parliamo dei cavi di ricarica CC E-Mobility, delle tecnologie per la connessione di pannelli solari OPV e del sistema di distribuzione dell’alimentazione OLFLEX Solar.

In ogni caso, ci sembra difficile che nel prossimo futuro si assista a migrazioni di massa di impianti di distribuzione geografici dalla tecnologia in alternata a quella in continua. Invece, appare molto probabile che si cominceranno a vedere con maggiore frequenza delle microgrid impostate nativamente sulla continua. Pensiamo in particolare a impianti che servono grandi strutture, tipo centri commerciali o sedi di aziende, che utilizzano come sorgente principale di energia parchi fotovoltaici piazzati sui tetti o nei parcheggi. In una struttura di questo tipo, la continua rende più semplice (e più efficiente) lo stoccaggio in accumulatori, necessario a fornire corrente in modo continuativo assorbendo eventuali picchi, e non pone grossi problemi per il trasporto essendo le distanze limitate. L’interscambio con i sistemi ad alternata potrebbe a questo punto essere confinato al collegamento con la rete distributiva generale, normalmente mantenuto dalle microgrid per coprire i casi di emergenza (tipo esaurimento delle batterie in mancanza di energia fotovoltaica) o per vendere energia al gestore della rete generale.

Di Renzo Zonin