Nel nuovo scenario energetico così come nel mondo industriale sempre più automatizzato e a forte contenuto tecnologico, si fa sempre più spazio la corrente continua. La crescita delle rinnovabili, la cui produzione lorda di energia elettrica rappresenta il 39,5% della quota complessiva di elettricità in Italia (fonte: Gse – Gestore servizi energetici), insieme alla crescita del mercato delle soluzioni di accumulo, sta accrescendo l’interesse nei confronti di reti di distribuzione in corrente continua. La distribuzione in CC permette di evitare perdite di conversione da corrente alternata a continua e una più semplice integrazione delle fonti rinnovabili e dei sistemi di energy storage.
Non solo: l’attenzione all’efficienza energetica è ormai diffusa. La corrente continua permette anche in questo caso vantaggi non indifferenti, specie in ambito produttivo. Vediamo allora di comprendere meglio cosa sia la corrente continua, i limiti attuali del suo sviluppo, le opportunità che offre all’Industria 4.0 e le prospettive e i progetti più innovativi.
Corrente continua e alternata: breve storia e applicazioni
La corrente continua è un tipo di corrente elettrica caratterizzata da un flusso di elettroni di direzione costante nel tempo. Gli elettroni fluiscono sempre nello stesso senso all’interno del circuito. Nella alternata, invece, il flusso di corrente è variabile nel tempo sia in intensità che in direzione a intervalli più o meno regolari.
Sostenitore storico della corrente continua fu Thomas Edison verso la fine del XIX secolo agli inizi della distribuzione elettrica industriale, contrapposto a Nikola Tesla e al suo partner commerciale George Westinghouse, promotori della alternata: questa contrapposizione tra due visioni differenti fu così accesa da dar luogo alla “guerra delle correnti”, per la conquista del mercato dell’energia elettrica, che vide prevalere quella alternata nel sistema di distribuzione della corrente elettrica. Vinse perché era più facile trasmettere energia su distanze più lunghe utilizzandone un tipo a tensione più elevata. Ma prevalse anche per ragioni e opportunità commerciali.
Tuttavia la corrente continua non scomparve, tutt’altro: ancora oggi è adottata da tv, computer e dagli elettrodomestici, ma anche da alcuni elettrodotti (High Voltage Direct current, sistema di trasmissione di energia elettrica in corrente continua), nei cavi sottomarini, nei grandi trasporti di energia verso le isole, per esempio, nell’alimentare treni e persino navi. In quest’ultimo caso, c’è anche uno studio che comprova risparmio di carburante, riduzione del rumore e impatto ambientale grazie alla sua adozione. Sempre in tema di mobilità, la corrente continua ha e avrà un’importanza specifica per l’auto elettrica, il cui cuore pulsante sono le batterie, in cui viene immagazzinata l’energia. Non solo: le infrastrutture di ricarica in CC sono quelle più potenti e dunque “veloci” perché non richiedono una conversione come avviene con la corrente alternata.
Energia elettrica: un sistema più efficiente? Con la corrente continua
Per comprendere meglio i vantaggi che si avrebbero con il passaggio alla corrente continua si deve guardare al sistema elettrico. È un’architettura, spiega il gestore di rete Terna, composta da: centrali elettriche che producono l’energia; trasformatori ad altissima tensione che la ricevono; linee elettriche ad altissima e alta tensione, che la trasportano; stazioni di trasformazione che trasformano l’elettricità ad alta tensione in elettricità a media e bassa tensione e cedono l’energia trasformata alle società di distribuzione. che poi la portano ai clienti finali.
Questo sistema sta cambiando, a causa dell’uso crescente di energia decentralizzata dalle fonti rinnovabili e più localizzata: la produzione e il consumo, quindi, avvengono nella stessa zona. Si parla sempre più spesso di comunità energetiche e di creazione di microgrid, capaci di integrare sistemi fotovoltaici ed eolici solari. Esse nascono originariamente come sistemi a correnti continua. Inserirle, quindi, in un sistema di distribuzione CC elimina la necessità di punti di conversione energetica nel passaggio di corrente sia al sistema distributivo che ai singoli dispositivi, evitando perdite.
Dal micro al macro, la Direct Current mostra i suoi vantaggi anche nel sistema di trasmissione su lunghe distanze. L’esempio è l’Hvdc (High Voltage Direct Current), un’infrastruttura di trasmissione di energia elettrica in corrente continua, anziché in corrente alternata come è di più frequente utilizzo. Un sistema vantaggioso se utilizzato su lunghe distanze di trasmissione e con linee dirette, avendo minori dispersioni rispetto alla corrente alternata: «un collegamento Hvdc – benché due volte più costoso in fase di costruzione – risulta vantaggioso in ragione delle minori perdite di energia a partire da una lunghezza di circa 400 chilometri, mentre nel caso dei cavi sottomarini utilizzati ad esempio dai parchi eolici offshore, offre vantaggi già a partire da distanze di 60 chilometri. Inoltre, i collegamenti Hvdc sono estremamente affidabili. Grazie soprattutto ai progressi compiuti nella conversione dell’energia mediante l’elettronica di potenza, le correnti continue possono essere convertite fino a 800mila Volt senza uso di trasformatori», spiega Georg Stawowy, chief technology officer Lapp, gruppo specializzato nella tecnologia dei cavi.
Una rete elettrica in corrente continua: i vantaggi dell’efficienza
Proprio in occasione di un recente convegno, organizzato da Lapp Italia, lo stesso Stawowy ha spiegato quali siano i vantaggi più interessanti nell’applicare un sistema elettrico basato sulla corrente continua: «l’argomento più convincente a favore del passaggio alla corrente continua è l’efficienza. Se le centrali termoelettriche, nucleari e a carbone immettono nella rete corrente alternata, e gli aspirapolvere e le lampadine la utilizzano direttamente, il grado di efficienza a livello di utenza è pari al 65% circa. In altre parole, all’incirca un terzo dell’energia elettrica va perduto, ad esempio a causa della dispersione termica». Nello scenario energetico attuale si assiste a una sempre maggiore partecipazione da parte delle rinnovabili, soprattutto il fotovoltaico; se poi si aggiunge una progressiva crescita dei sistemi di energy storage per l’accumulo e la migliore gestione dell’energia prodotta da sole e vento, che per natura sono intermittenti, si registra una quantità crescente di corrente che va convertita da continua ad alternata per essere trasmessa e distribuita: a oggi i sistemi di trasmissione Hvdc sono una sparuta minoranza sul totale. Questo determina perdite ancor più consistenti.
«Lo stesso avviene dal lato delle utenze: gli alimentatori si surriscaldano, a dimostrazione che si determina uno spreco di energia. In questo caso, l’efficienza complessiva della nostra rete energetica si riduce presumibilmente al 56%. È quindi chiaro che serve ripensare drasticamente il sistema. L’alternativa è costituita dall’utilizzo della tecnica in corrente continua per il trasporto su grandi distanze mediante trasmissione Hvdc nonché reti a bassa tensione in corrente continua nelle abitazioni e nell’industria, alle quali sia possibile collegare ad esempio computer portatili o anche motori industriali, senza alimentatori né inverter». Con un impianto fotovoltaico sul tetto e un’auto elettrica in garage, l’efficienza raggiungerebbe livelli imbattibili. Una rete elettrica impostata in corrente continua raggiungerebbe un’efficienza complessiva del 90%. Terna crede molto sulla possibilità di puntare su questo tipo di tecnologia. Per questo ha previsto nel Piano di Sviluppo 2019 investimenti per circa 13 miliardi di euro, di cui quasi il 45% in nuove infrastrutture in tecnologia Hvdc.
Corrente continua per l’industria per l’efficienza energetica e l’integrazione tecnologica
Se il sistema elettrico si potesse avvantaggiare dalla conversione più decisa verso la corrente continua, ne potrebbe approfittare anche il settore industriale. Oggi il 42% del consumo netto di elettricità in Italia lo si ha nell’industria. Ciò corrisponde a circa 135 TWh l’anno. Di questi quasi il 70% è ascrivibile ai motori elettrici. «Il 10% dell’energia potrebbe essere risparmiato immediatamente utilizzando motori a risparmio energetico. Un ulteriore potenziale è offerto dalla regolazione elettronica del numero di giri, poiché molti motori funzionano al massimo regime anche quando non sarebbe affatto necessario. Qui, il potenziale di risparmio si aggira intorno al 30%. Tuttavia, anche i convertitori di frequenza per la regolazione del numero di giri consumano inutilmente energia: essi infatti lavorano a corrente continua, che deve essere prodotta mediante raddrizzamento della corrente alternata. Si determinano così perdite da conversione, nonché ripercussioni sulla rete dovute ad armoniche che rendono la rete instabile» afferma Gaetano Grasso, head of product management and marketing Lapp.
Da qui si arriva alla possibile alternativa: «anziché utilizzare un raddrizzatore per ogni convertitore, si potrebbe alimentare i motori direttamente con corrente continua». I vantaggi sono vari: ridotte perdite dovute alla conversione da corrente alternata a corrente continua grazie a una conversione centralizzata; maggiore stabilità delle reti energetiche grazie alla riduzione delle armoniche (fenomeno che genera problemi per gli utenti), il risparmio di componenti e un minore ingombro. Ulteriore vantaggio è legato alla maggiore semplicità di integrazione con il fotovoltaico e la possibilità di recuperare, per esempio utilizzo dell’energia frenante e accumulo in batterie. Qui si aprono interessanti prospettive nella gestione dei robot in fabbrica. L’elevata percentuale di energia di recupero fornita dai robot industriali può essere reimmessa nel sistema.
Corrente continua per l’Industria 4.0: il modello Germania e i vantaggi per i data center
C’è chi, come la Germania, crede fortemente alle potenzialità della corrente continua per lo sviluppo del modello Industry 4.0: il Governo tedesco ha promosso la nascita del progetto DC-Industrie, finanziandolo con 10 milioni di euro. Esso si concentra sulla creazione di concetti per l’approvvigionamento energetico degli impianti industriali attraverso una rete a corrente continua. Avviato due anni fa, oggi conta su 36 partner ed è in fase avanzata: scopo del Ministero dell’Economia e dell’Energia tedesco è lo sviluppo di smart grid, ovvero reti intelligenti e aperte di prossima generazione per la produzione industriale. Per raggiungere gli obiettivi di efficienza energetica, flessibilità energetica e stabilità della rete, in attesa di sfruttare pienamente le potenzialità offerte dalla digitalizzazione, un elemento chiave per la transizione è la conversione delle microgrid di produzione da un’architettura a corrente alternata a una a continua; la nascita delle cosiddette industrial smart grid DC.
L’idea da cui è partito il progetto, che oggi coinvolge 36 partner, è sfruttare la netta prevalenza delle apparecchiature e sistemi che funzionano in corrente continua: dai computer alle soluzioni di automazione industriale, compresi i robot e i sistemi di illuminazione Led. Ma in tal modo funzionano molti motori in corrente continua, compresi quelli che muovono i treni, ma questo tipo di motori elettrici trovano impiego nell’automazione industriale, per azionare valvole e pompe, negli elettrodomestici, nelle porte scorrevoli. Sulla stessa linea del Governo, si sta muovendo anche Mercedes con Factory 56, la nuova fabbrica che aprirà quest’anno, già annunciato come terzo complesso industriale più grande della Germania e che la Casa automobilistica definisce il più avanzato al mondo.
C’è poi il caso del Sortimo Innovation Park, sempre in terra tedesca, nella città bavarese di Zusmarshausen. Qui è in costruzione la più grande stazione di ricarica rapida per auto elettriche e un nuovo polo energetico autogestito sviluppato in circa 160mila metri quadri. Una volta completata, saranno disponibili 144 stazioni di ricarica per uso pubblico in grado di fornire legalmente fino a 4mila auto elettriche. Ma non c’è solo il mondo automobilistico che guarda con interesse all’adozione della corrente continua anziché alternata: pensiamo ai data center, dove avrebbe grandi possibilità di sviluppo, per esempio semplificando la complessità dell’impianto elettrico dei centri di elaborazione dati.
Occorre considerare che il 50% circa dell’energia fornita alla struttura si disperde nella conversione e nella distribuzione dell’energia o utilizzata per ridurre il calore rilasciato da queste perdite e dalle stesse apparecchiature IT. La distribuzione elettrica in corrente continua utilizza meno “rame” di un sistema in corrente alternata comparabile: «la corrente continua funziona con due cavi e per questo rende più facile il cablaggio, a differenza della corrente alternata che in ambito industriale funziona invece con 3 o 4 cavi» ha spiegato Giambattista Gruosso, Professore Associato del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano. L’adozione di un sistema in CC permetterebbe un risparmio energetico sensibile in queste infrastrutture altamente energivore in cui si stima un consumo globale di 200 TWh annui, un valore superiore al consumo energetico di alcuni Paesi.
Corrente continua per l’Industria 4.0: la situazione in Italia
Se la Germania si pone in una posizione di vertice mondiale sul tema, non così è l’Italia: «se si parla di applicazioni industriali, oggi nel contesto italiano non c’è molto. È un tema nuovo, non tanto dal punto di vista tecnologico, ma applicativo», afferma Marco Vecchio, segretario Anie Automazione. «La distribuzione elettrica è ancora fatta in corrente alternata, non solo nel contesto nazionale ma pressoché ovunque: a parte i progetti tedeschi e alcune sperimentazioni, non c’è ancora un mercato». In ogni caso, tecnologicamente parlando, «ci sono vantaggi in termini di efficientamento energetico, di un minor numero di elementi in grado di sprecare energia» prosegue Vecchio, ribadendo poi i pregi della corrente continua, specie per integrare energie rinnovabili e soluzioni di accumulo. «Ci sono poi da considerare i vantaggi nell’impiego CC nelle applicazioni ICT: in questo senso potrebbe essere favorita la digitalizzazione in azienda».
Nel contesto industriale italiano, costituito da un ampio tessuto di piccole e medie imprese, potrebbe essere interessante adottare la corrente continua? «Penso di sì, considerando diversi aspetti»: si parla anche di opportunità legate alla integrazione con rinnovabili e soluzioni di accumulo, alla creazione di microgrid… Certo resta ancora un tema di frontiera, ma Anie lo valuta con attenzione: «personalmente, ho intenzione di aprire all’interno dell’Associazione – sulla falsariga di quanto fatto in Germania – un gruppo di lavoro dedicato nei prossimi mesi. C’è attenzione», conclude Vecchio.
