Azionamenti a frequenza variabile: più capacità di rete riducendo il carico dei motori

Circa 50 milioni di motori elettrici azionano ventilatori, pompe e compressori negli stabilimenti e negli edifici statunitensi. Insieme consumano una quantità di elettricità pari a quasi un terzo della domanda complessiva di energia elettrica degli Stati Uniti. Un articolo di IEEE Spectrum sostiene che molti di questi motori consumano ben più di quanto richiesto dai rispettivi carichi e che gli azionamenti a frequenza variabile (VFD, variable frequency drive) sono il modo più economico per colmare il divario.

L'impostazione di questa storia richiede però una correzione. Un VFD non fa passare più corrente nelle linee di trasmissione o distribuzione esistenti. Fa l'opposto: riduce il carico all'estremità della linea. L'effetto su una rete congestionata può sembrare simile, perché la capacità non più consumata è disponibile per altri. Meccanismo e limiti ingegneristici, tuttavia, sono diversi, e i tecnici dovrebbero tenere distinte le due cose.

01Che cosa fa realmente un azionamento

Un comune motore a induzione alimentato a frequenza fissa di 50 o 60 Hz gira a velocità quasi costante. Quando un ventilatore o una pompa richiede meno del pieno regime, la soluzione abituale è la strozzatura meccanica con serrande, valvole o ricircolo. Il motore continua a girare a piena velocità e l'energia in eccesso viene dissipata.

Un VFD è un convertitore di elettronica di potenza. Raddrizza la corrente alternata in ingresso su un bus in continua, poi usa un inverter per sintetizzare la corrente alternata alla frequenza e alla tensione richieste dal motore. Abbassando la frequenza si riduce la velocità dell'albero. Un anello di controllo, tipicamente basato su un setpoint di pressione o di temperatura, regola in continuo la velocità in base alla domanda.

Il risparmio deriva dalla fisica dei carichi centrifughi. In base alle leggi di affinità, la portata è proporzionale alla velocità e la prevalenza al suo quadrato, quindi la potenza all'albero cresce con il cubo. All'80% della velocità la potenza scende a 0,8³ = 0,512 di quella a piena velocità, un taglio del 49% a fronte di una riduzione di portata del 20%. Al 60% della velocità la potenza cala ad appena il 22% di quella richiesta a piena velocità.

Neal Elliott, direttore emerito dell'American Council for an Energy-Efficient Economy, stima i risparmi energetici tipici di un VFD sul motore intorno al 40-60 per cento, secondo quanto riportato da Spectrum. Si tratta di un intervallo valido per le applicazioni adatte, non di una garanzia per ogni motore.

02Dove i risparmi sono reali e dove no

La legge cubica vale solo per carichi che si comportano come pura resistenza di attrito. Una pompa che solleva acqua contro una prevalenza statica, per esempio, ha un lavoro minimo che nessuna riduzione di velocità può eliminare. Una guida tecnica osserva che nei sistemi con prevalenza statica significativa i risparmi effettivi saranno inferiori a quelli calcolati. Un'altra afferma che il risparmio può essere meno della metà del valore ricavato dalla legge cubica e che, per saperlo con precisione, occorre sovrapporre la curva della pompa a quella del sistema.

Si applicano anche altri vincoli:

• Perdite dell'azionamento. Un inverter perde tipicamente dal 2 al 4 per cento della potenza transitante sotto forma di calore, quindi un azionamento che fa funzionare un motore a piena velocità tutto il giorno non fa risparmiare nulla.
• Carichi a coppia costante. Nastri trasportatori e compressori volumetrici non ottengono il beneficio cubico. Qui i risparmi derivano da un migliore adattamento al carico, non dalle leggi di affinità.
• Comportamento del motore a carico parziale. Il rendimento del motore cala in modo significativo quando il carico scende sotto il 40%, ed è per questo che dimensionamento corretto e azionamenti vengono spesso valutati insieme.
• Qualità dell'energia. Gli azionamenti assorbono corrente non sinusoidale. Il filtraggio delle armoniche e le considerazioni su cavi e isolamento del motore devono rientrare in qualsiasi specifica di retrofit. Le fonti che ho esaminato non quantificano questi costi.

03Il divario di adozione

L'opportunità esiste perché la diffusione è bassa. Spectrum, citando la valutazione di mercato 2021 del Lawrence Berkeley National Laboratory, riporta che solo il 16 per cento dei sistemi motore industriali e il 4 per cento dei motori del settore commerciale usa VFD. Lo attribuisce in parte alla percezione di complessità del retrofit e al fatto che gli azionamenti, di norma, non sono obbligatori.

Il rapporto Volume 1 di LBNL aggiunge dettagli utili per individuare i bersagli. L'adozione cresce con le dimensioni dell'impianto: il 17 per cento della capacità dei sistemi motore nei grandi stabilimenti industriali è dotato di VFD, contro l'8 per cento in quelli piccoli. Lo stesso rapporto rileva che quasi la metà del consumo elettrico dei sistemi motore proviene da circa 3.500 impianti, l'1,5 per cento dei siti manifatturieri statunitensi. Un programma rivolto a qualche migliaio di grandi siti potrebbe quindi raggiungere una quota consistente del carico.

Il margine disponibile emerge anche dai dati sul carico. LBNL ha rilevato che il 47% dei sistemi motore industriali e il 50% di quelli commerciali funziona sotto il 75% della piena capacità. L'agenzia ha stimato che il dimensionamento corretto dei motori o l'installazione di un VFD potrebbe far risparmiare 115.000 GWh all'anno nei due settori.

Come conversione di massima, 115.000 GWh distribuiti uniformemente su 8.760 ore equivalgono a una media di circa 13 GW. Si tratta di un mio calcolo, non di un dato LBNL. Il sollievo di capacità sulla rete dipende dalla domanda di punta coincidente, che un dato di energia annua non coglie. I «gigawatt» vanno intesi come ordine di grandezza, non come previsione.

04Perché conta per le code di interconnessione

La tesi di Spectrum è che una minore domanda dei motori libererebbe capacità di rete per grandi utenti come data center e veicoli elettrici. Aiuterebbe inoltre le fabbriche che passano dal riscaldamento a combustibili fossili a soluzioni elettrificate basate su motori, come le pompe di calore, mentre i prezzi dell'energia industriale salgono. Spectrum aggiunge che la tecnologia VFD è diventata più sofisticata e meno costosa da installare rispetto alle generazioni precedenti.

Per un ingegnere alle prese con un feeder o una sottostazione vincolati, il confronto con le opzioni lato offerta è istruttivo. Le tecnologie di potenziamento della rete agiscono sulla rete stessa:

Le due strade sono complementari, non concorrenti. Un dispositivo a livello di trasmissione può aggiungere 100 MW in una singola sottostazione. Un programma di azionamenti è distribuito su migliaia di siti e va misurato motore per motore. Il suo vantaggio è che non richiede autorizzazioni da parte del distributore né l'accesso a corridoi di linea. Riduce inoltre la bolletta del cliente e, abbassando i kWh oltre ai kW, evita la generazione che altrimenti sarebbe necessaria.

05Che cosa resta da dimostrare

Emergono tre punti. Primo, gran parte delle evidenze sui risparmi deriva da modelli ingegneristici e da fonti vicine ai fornitori. I risparmi effettivi dipendono da ciclo di lavoro, prevalenza statica e qualità del controllo, quindi misura e verifica sono essenziali. Secondo, il beneficio per la rete non è automatico. Le riduzioni di carico alleviano un vincolo solo se avvengono nel nodo giusto e nelle ore giuste. Un feeder limitato da un picco serale estivo ne beneficia solo se i motori sono in funzione in quel momento. Terzo, l'economia dell'adozione è ancora irrisolta. Spectrum osserva che gli azionamenti di norma non sono obbligatori, e i dati LBNL suggeriscono che le barriere siano in parte organizzative.

Utility e regolatori affrontano una versione dello stesso problema con l'hardware di rete. Il Center on Global Energy Policy della Columbia afferma che la diffusione delle tecnologie di potenziamento della rete è frenata da incentivi sfasati per le utility, da barriere all'accesso ai dati e da una regolazione che premia gli investimenti ad alta intensità di capitale. La lezione sul lato della domanda è simile. L'hardware è maturo, e le questioni aperte sono chi paga, chi misura il risultato e chi si appropria della capacità liberata.