Elettrificazione e automazione per reti elettriche efficienti e sostenibili

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La sostituzione delle fonti energetiche tradizionali per la rete elettrica con fonti ecologiche sostenibili si chiama elettrificazione.

Le certificazioni LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) e ZEB (Zero Energy Building) sono un impegno significativo a sostegno del desiderio della società di ridurre le emissioni di carbonio e migliorare la sostenibilità. Per ottenere le certificazioni LEED e ZEB è necessario un approccio olistico in cui l’elettrificazione sostituisca i sistemi energetici basati sui combustibili fossili con alternative ecocompatibili come il fotovoltaico (PV) e i veicoli elettrici (EV), combinati con sistemi di automazione e controllo avanzati.

La certificazione LEED e ZEB

Il programma LEED dell’U.S. Green Building Council (USGBC) prevede la decarbonizzazione degli edifici esistenti e delle nuove costruzioni. Le iniziative ZEB sono coordinate dall’ufficio Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) dello US Department of Energy (DoE). Il conseguimento delle certificazioni LEED e ZEB richiede agli architetti e agli appaltatori di adottare nuovi approcci alle modalità di progettazione, costruzione e gestione degli edifici. Rispetto a ZEB, che si concentra esclusivamente sul consumo energetico, LEED è un concetto più ampio che affronta i temi del carbonio, dell’energia, dell’acqua, dei rifiuti, dei trasporti, dei materiali, della salute e della qualità degli ambienti interni.

Abstract

Iniziamo qui con un’analisi dei livelli di certificazione LEED e ZEB e di ciò che è necessario per ottenerle per gli edifici commerciali e industriali, compreso un confronto tra le diverse definizioni di ZEB. Quindi illustriamo un esempio di come Phoenix Contact abbia utilizzato l’automazione e la generazione di energia elettrica fotovoltaica in loco per ottenere la certificazione LEED Silver e ZEB per l’espansione di 6500 metri quadrati del suo campus principale, compreso il modo in cui alcuni prodotti dell’azienda hanno contribuito al successo del progetto (Figura 1). L’articolo si conclude con uno sguardo a come gli edifici LEED possono contribuire agli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite.

Figura 1: La generazione fotovoltaica sul tetto è stata un fattore chiave che ha permesso a questa struttura di Phoenix Contact di ottenere le certificazioni LEED Silver e ZEB. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

LEED è olistico

LEED è un approccio a tutto tondo che tiene conto di tutti gli elementi necessari per creare edifici ad alte prestazioni. Le certificazioni LEED si basano su crediti o punti assegnati a un progetto in base a dettagliati criteri di prestazione. Le categorie di prestazione e la loro importanza relativa (dalla più alla meno importante) sono (*):

• Ridurre il contributo al cambiamento climatico globale
• Migliorare la salute umana individuale
• Proteggere e ripristinare le risorse idriche
• Proteggere e migliorare la biodiversità e i servizi ecosistemici
• Promuovere cicli di materiali sostenibili e rigenerativi
• Migliorare la qualità di vita della comunità

Il criterio essenziale – la riduzione del contributo al cambiamento climatico globale – rappresenta il 35% di tutti i punti.
I livelli di certificazione LEED sono: Certificato (40-49 punti), Argento (50-59 punti), Oro (60-79 punti) e Platino (80+ punti).

Nell’ultima versione di LEED, la v4.1, la maggior parte dei punti è legata al carbonio operativo e incorporato. Il carbonio operativo è costituito dalle emissioni di anidride carbonica (CO₂) generate dal riscaldamento, dalla ventilazione e dal condizionamento dell’aria (HVAC), dall’illuminazione e da altri sistemi edilizi che consumano energia. Le emissioni di carbonio incorporato sono quelle associate alla produzione di materiali da costruzione e ai processi edili degli edifici durante l’intero ciclo di vita di un edificio.

La certificazione LEED è importante per la creazione di una società più sostenibile. Gli edifici sono responsabili del 39% delle emissioni globali di CO2, di cui il 28% è dovuto alle attività edilizie e l’11% alle emissioni incorporate (Figura 2). Poiché il settore edilizio è quello che contribuisce maggiormente alle emissioni globali di CO2, sono stati sviluppati programmi speciali per incoraggiare lo sviluppo di edifici a energia zero.

Figura 2: Le attività edilizie, i materiali e la costruzione sono i principali responsabili della produzione globale di CO2. (Immagine per gentile concessione di New Building Institute)

Definizione di zero

L’energia zero sembra un concetto semplice, ma ha diverse definizioni. Le tre più citate sono il programma LEED Zero Energy, l’International Living Future Institute (ILFI) Zero Energy e lo Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code), un’iniziativa dell’organizzazione Architecture 2030 che è stata adottata come standard energetico per gli edifici in California. Esistono differenze significative nel modo in cui viene definito lo “zero”.

Per ottenere la certificazione LEED Zero Energy, un edificio deve avere un bilancio energetico pari a zero per 12 mesi, compresa la generazione in loco e l’energia generata dall’esterno (di provenienza). La combustione di combustibili fossili in loco non è vietata. Il consumo energetico totale deve essere costituito da energia rinnovabile generata in loco o esternamente o da compensazioni dell’impronta di carbonio.

La certificazione ILFI Zero Energy è lo standard più restrittivo. Richiede che le fonti rinnovabili in loco forniscano il 100% del fabbisogno energetico dell’edificio. Non è consentita la combustione e la certificazione si basa sulle prestazioni effettive; la modellazione non è ammessa.

Zero Code si rivolge in particolare ai nuovi edifici commerciali, istituzionali e residenziali di medio-alto livello. Definisce un edificio a zero emissioni di carbonio come un edificio che non utilizza combustibili fossili in loco e che produce in loco o si procura una quantità sufficiente di energia rinnovabile priva di carbonio o di crediti di carbonio per soddisfare il fabbisogno energetico operativo dell’edificio. Zero Code richiede inoltre che gli edifici soddisfino lo standard ASHRAE 90.1-2019 per l’efficienza degli edifici. Zero Code consente la sostituzione di altri standard di efficienza energetica se questi comportano un’efficienza energetica uguale o superiore.

Un esempio di LEED

Phoenix Contact ha recentemente installato un impianto fotovoltaico da 961 kW sul tetto del centro logistico del campus principale dell’azienda negli Stati Uniti. Il sistema genera energia sufficiente a soddisfare il 30% circa del fabbisogno energetico della struttura, ossia l’equivalente del consumo energetico di circa 160 abitazioni all’anno. L’edificio ha ottenuto le certificazioni LEED Silver e Zero Energy.

Il sistema di cogenerazione a microturbina da 1 MW alimentato a gas naturale è stato integrato con un impianto fotovoltaico. Il sistema di controllo energetico centrale monitora in tempo reale la produzione dell’impianto fotovoltaico e il consumo energetico dell’edificio. Il generatore a microturbina interviene quando la domanda complessiva di energia supera la produzione dell’impianto fotovoltaico. In alcuni casi, l’impianto fotovoltaico e la microturbina sono utilizzati insieme per fornire elettricità alla rete attraverso lo scambio sul posto (SSP), generando un reddito per l’azienda.

Il sistema è stato progettato per ridurre il consumo di gas naturale durante le ore diurne e far funzionare il generatore a microturbina soprattutto di notte, massimizzando l’efficienza energetica complessiva e riducendo al minimo la produzione di CO2. In alcuni giorni è possibile ridurre quasi a zero il consumo di gas naturale. Alcune statistiche dell’impianto fotovoltaico includono:

• 2.185 pannelli solari
• 1.214.235 kWh generati annualmente
• 880 tonnellate in meno di emissioni di CO2

È necessario il monitoraggio e il controllo continuo dei singoli segmenti del sistema fotovoltaico in impianti di grandi dimensioni come questo per ottenere la massima efficienza e disponibilità di produzione di energia.

L’automazione ha bisogno di informazioni fruibili

L’automazione e il controllo efficaci per i sistemi di elettrificazione, come gli impianti fotovoltaici, richiedono informazioni ampie e fruibili. Il monitoraggio in tempo reale di ogni stringa di pannelli fotovoltaici massimizza la produzione e supporta la manutenzione preventiva. Se una stringa si interrompe inaspettatamente, potrebbe perdere migliaia di kW di potenza con relative perdite monetarie.

L’impianto fotovoltaico da 961 kW presso il campus principale di Phoenix Contact negli Stati Uniti comprende dodici inverter con sei stringhe di pannelli fotovoltaici che alimentano ogni inverter e incorpora diversi prodotti dell’azienda, a partire dai contatori di energia EMpro di seconda generazione, come il modello 2908286 montato a pannello. Questi contatori sono progettati per misurare e trasmettere i principali parametri energetici a piattaforme basate sul cloud che supportano il monitoraggio remoto di tutti gli elementi del sistema. I contatori di energia EMpro sono disponibili per diversi tipi di sistemi di alimentazione, comprese le installazioni e le configurazioni monofase, bifase e trifase. Il sistema monitora in tempo reale numerosi elementi del sistema e varie condizioni operative, tra cui:

• Gli inverter sono monitorati singolarmente per quanto riguarda la potenza di ingresso c.c., la potenza di uscita c.a., la potenza attiva e reattiva, i guasti e lo stato operativo.
• Di ogni stringa di pannelli fotovoltaici sono monitorate la corrente e la tensione in uscita. Questi dati vengono valutati per determinare lo stato di salute delle stringhe e le eventuali esigenze di manutenzione.
• Le temperature dei pannelli sono monitorate da numerosi sensori distribuiti in tutta l’installazione.
• Vengono raccolte condizioni meteorologiche, come la velocità e la direzione del vento, la temperatura, l’umidità relativa e la pressione dell’aria.
• La radiazione solare viene misurata con due piranometri, uno con un angolo di 10 gradi corrispondente all’angolo di installazione dei pannelli e uno installato orizzontalmente.
• I sensori di sporcizia misurano la perdita di luce causata da polvere e detriti sulla superficie dei pannelli fotovoltaici.
• Le telecamere garantiscono il monitoraggio di sicurezza del sistema.

Il sistema necessita anche di datalogger e interfacce. Ad esempio, i moduli wireless Radioline dell’azienda, come il modello 2901541, comunicano in modalità wireless con i sensori di temperatura e di sporcizia dei moduli fotovoltaici utilizzando il protocollo RS-485. In altri casi, si utilizza Power over Ethernet (PoE) per trasmettere contemporaneamente energia e dati. La protezione dalle intrusioni può essere fornita dai router di sicurezza FL mGuard serie 1000, come il modello 1153079, che offrono firewall di protezione e gestione degli utenti.

Per collegare il tutto è necessario un controller come il modello 1069208 montato su guida DIN di Phoenix Contact, basato sulla tecnologia PLCnext dell’azienda (Figura 3). Abbinato a un modulo di ingresso/uscita (I/O) come il modello 2702783, il controller aggrega i dati dalla rete di sensori e li trasmette a un fornitore di servizi cloud. Inoltre, un PC industriale esegue il software Solarworx di Phoenix Contact. Gli strumenti software e le librerie incluse supportano i protocolli e gli standard di comunicazione adottati dal settore dell’energia solare. Il sistema consente un’automazione e una visualizzazione personalizzate del funzionamento dell’impianto fotovoltaico ed è compatibile con pacchetti software di terze parti che possono analizzare i dati storici e in tempo reale per ottimizzare le prestazioni. Le librerie includono blocchi funzionali che soddisfano i requisiti dello standard IEC 61131 per i controller programmabili.

Figura 3: Il controller per montaggio su guida DIN è adatto a sistemi di generazione fotovoltaica su larga scala. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Il controllo dell’immissione in rete è l’ultimo tassello del puzzle dell’integrazione delle risorse energetiche distribuite (DER), come gli impianti fotovoltaici, nella rete elettrica. I controller PGS di Phoenix Contact sono in grado di monitorare i livelli di tensione e di potenza reattiva nei punti di connessione alla rete e di determinare i valori di controllo necessari per gli inverter per supportare la gestione dell’immissione di energia nelle reti a media e alta tensione.

LEED e sviluppo sostenibile

Le Nazioni Unite hanno identificato 17 obiettivi di sviluppo sostenibile (SDG **) che mirano a porre fine alla povertà globale entro il 2030. Secondo l’USGBC, l’elettrificazione e l’automazione in loco degli edifici LEED possono contribuire al raggiungimento di 11 dei 17 SDG, tra cui:

• Obiettivo 3: Buona salute e benessere
• Obiettivo 6: Acqua pulita e igiene
• Obiettivo 7: Energia accessibile e pulita
• Obiettivo 8: Crescita economica sostenuta, inclusiva e sostenibile, occupazione piena e produttiva e un lavoro dignitoso per tutti
• Obiettivo 9: Costruire infrastrutture resilienti, promuovere un’industrializzazione inclusiva e sostenibile e favorire l’innovazione
• Obiettivo 10: Ridurre le disuguaglianze all’interno dei Paesi e tra di essi
• Obiettivo 11: Città e comunità sostenibili
• Obiettivo 12: Consumo e produzione responsabili
• Obiettivo 13: Azione per il clima
• Obiettivo 15: Proteggere, ripristinare e promuovere l’uso sostenibile degli ecosistemi terrestri, gestire in modo sostenibile le foreste, combattere la desertificazione, arrestare e invertire il degrado del territorio e la perdita di biodiversità
• Obiettivo 17: Rafforzare gli strumenti di attuazione e rivitalizzare il partenariato globale per lo sviluppo sostenibile

Le strategie aziendali possono anche contribuire a una società più sostenibile.
Ad esempio, l’ottenimento da parte di Phoenix Contact delle certificazioni LEED Silver e Zero Energy per il suo centro logistico nelle Americhe faceva parte dell’obiettivo iniziale dell’azienda di raggiungere la neutralità delle emissioni di carbonio in tutte le sue sedi mondiali. Il prossimo obiettivo dell’azienda è quello di creare una catena a valore aggiunto completamente neutrale dal punto di vista climatico entro il 2030.

Conclusione

Il settore edilizio è il principale responsabile della produzione globale di CO2. Le certificazioni LEED e ZEB sono strumenti importanti per misurare il successo dell’utilizzo dell’elettrificazione e dell’automazione per creare edifici più efficienti e sostenibili. Come dimostrato, gli impianti di generazione fotovoltaica su larga scala, integrati con capacità di cogenerazione in loco, possono contribuire a una società più sostenibile. Gli edifici certificati LEED supportano inoltre il raggiungimento dei 17 SDG delle Nazioni Unite e l’obiettivo di eliminare la povertà globale entro il 2030.

Riferimenti
* Sistema di classificazione LEED, Green Building Council
** Obiettivi di sviluppo sostenibile, Nazioni Unite

Immagine di apertura Fonte Pixabay_mehrunissa

Di Jeff Shepard - DigiKey

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