Progetto e realizzazione di un dimostratore di laboratorio di una rete di distribuzione in corrente continua per applicazioni in Smart Building

Si definisce Smart Building un edificio che integra tecnologie e sistemi elettrici al fine di garantire la massima efficienza e sostenibilità. Dal punto di vista elettrico uno Smart Building implementa principalmente le seguenti funzioni: - gestione della domanda dei carichi elettrici (demand side management); - integrazione di micro-generatori da sorgenti rinnovabili (micro-renewables); - integrazione di micro-sistemi di accumulo (micro energy storage); - controllo dei consumi sulla base del costo dell'energia elettrica (basic electricity price based consumption control). Da una classificazione degli Smart Building in relazione alla loro destinazione d'uso (residenziale, commerciale, uso misto), discendono le considerazioni riguardanti la taglia di potenza del sistema elettrico, le tipologie prevalenti di carico, il regime di carico, l'estensione e il layout dell'impianto. Indipendentemente dalla destinazione d'uso dell'edificio e della sua estensione, si è evidenziato che l'utilizzo delle sorgenti rinnovabili e l'alimentazione dei carichi elettrici in edifici realizzati secondo il concetto di Smart Building richiede un adeguato condizionamento della potenza elettrica, attraverso cui è anche possibile ottemperare al requisito di massima efficienza energetica. Ciò è possibile attraverso l'impiego di opportuni convertitori elettronici di potenza utilizzati come interfaccia tra i diversi elementi (generatori, carichi) dell'impianto elettrico dell'edificio e tra la rete interna all'edificio e la rete pubblica di distribuzione dell'energia elettrica. La tipologia, il numero, la configurazione e complessità dei convertitori di interfaccia (inclusi costo e rapporto dimensioni/peso) dipende dal tipo di rete elettrica utilizzata nell'edificio (in corrente alternata, AC o in corrente continua, DC) e dalla funzionalità richiesta in termini di controllo e protezione. La distribuzione in DC viene convenzionalmente utilizzata nell'ambito di impianti elettrici on-board in aerei, imbarcazioni, etc., così come in altre applicazioni esercite in isola ossia senza l'interconnessione alla rete di distribuzione elettrica. Recentemente ne è stata proposta l'implementazione in edifici, in luogo della convenzionale distribuzione in AC. Per le reti in DC a bassa tensione (VDC<1.5 kV) valgono le seguenti considerazioni: - con la crescente diffusione di unità di generazione distribuita (DER, Distributed Energy Resources) di piccola taglia, l'esercizio della rete a frequenza fissa può risultare molto costoso o tecnicamente irrealizzabile; - molte DER generano potenza intrinsecamente in DC; - i convertitori per interfaccia tra le DER e la rete DC hanno strutture più semplici; - molti carichi elettrici richiedono un'alimentazione DC; altri, se progettati per funzionare in DC, tendono ad essere meno complessi e forniscono prestazioni complessivamente migliori; - la connessione a una rete DC richiede un numero minore di stadi di conversione e ciò si traduce in una minore complessità dell'interfaccia e in una riduzione delle perdite, dunque in un incremento dell'efficienza energetica. Studi recenti evidenziano un incremento dell'efficienza energetica in edifici che utilizzano un sistema di distribuzione in DC dal 10% al 22% (a seconda della tipologia di building: uso commerciale o residenziale) per tutti i livelli di tensione considerati, in un intervallo tra 48 V e 400 V. In Fig.1 si possono confrontare due reti di distribuzione in AC e in DC a bassa tensione per un edificio ad uso commerciale. E' evidente il minor numero di stadi di conversione e la maggiore semplicità della rete in DC. Sulla base di queste premesse e di uno studio di fattibilità di reti di distribuzione in DC per edifici, i ricercatori dell'ISSIA-CNR, UOS di Palermo hanno progettato e messo a punto un Dimostratore di Rete di Distribuzione in DC per applicazioni building di potenza fino a 3 kW e con tensione nominale selezionabile da 24 V fino ad un massimo di 400 V. La concreta realizzabilità del sistema è stata consentita dai progressi raggiunti nel settore dei dispositivi di protezione DC (protezione da sovraccarico e corto-circuito, protezione dai contatti diretti e indiretti, protezione da sovratensioni impulsive e monitoraggio continuo dell'isolamento verso terra). Il dimostratore dispone di una linea di comunicazione, adatta ad implementare gli opportuni protocolli di comunicazione, per lo scambio di informazioni tra i vari dispositivi connessi alla rete DC. Come piattaforma per l'implementazione ed il test di algoritmi di Energy Management System (EMS) è stato realizzato un apposito software, che consente l'acquisizione dei dati, la loro elaborazione e la generazione dei comandi per i diversi dispositivi connessi alla rete DC, al fine di regolare il flusso della potenza elettrica attraverso le varie sezioni del sistema con l'obiettivo di massimizzare di volta in volta l'efficienza, la redditività e/o l'autosufficienza energetica. La rete DC realizzata, variando opportunamente i profili di carico e di generazione imposti, può essere considerata rappresentativa sia della rete interna ad una singola abitazione, sia, a scala, di quella relativa ad un complesso di unità abitative o edifici per uso commerciale. Essa consentirà di verificare le prestazioni di diversi algoritmi di EMS per il coordinamento dei vari dispositivi connessi alla rete di distribuzione DC (unità di generazione distribuita, sistemi di accumulo e carichi), ad esempio per lo scheduling (pianificazione) dei carichi ai fini della massima redditività o del livellamento dei picchi di richiesta elettrica.