Energia reattiva: di cosa si tratta
Quando si parla di energia reattiva si fa riferimento ad un concetto utilizzato nell’ambito dei sistemi elettrici al fine di descrivere una forma di energia che oscilla tra le fonti di alimentazione e gli apparecchi elettrici senza essere effettivamente convertita in lavoro utile.
Cenni introduttivi e generali 1
Si può eliminare l’energia reattiva?. 1
La compensazione reattiva: alcuni dettagli 2
Il controllo del fattore di potenza: maggiori dettagli sui sistemi 2
La riduzione dei carichi induttivi: precisazioni 3
Le tariffe sulla potenza reattiva: osservazioni 4
Cenni introduttivi e generali
Nel contesto più specifico dell’energia elettrica, l’energia reattiva si riferisce a quella porzione di potenza che oscilla tra il generatore elettrico ed il carico senza che sia svolto alcun lavoro effettivo: questa energia viene scambiata tra i componenti di un sistema elettrico per tutta una serie di motivi e si manifesta a causa della differenza di fase tra la tensione e la corrente all’interno di un circuito elettrico; quando infatti la tensione e la corrente sono sfasate (e quindi non raggiungono il picco allo stesso tempo) parte dell’energia viene immagazzinata nei campi magnetici o elettrici dei componenti del circuito, senza essere convertita in lavoro.
Gli effetti indesiderati possono essere diversi e possono riguardare la diminuzione dell’efficienza, l’aumento delle perdite di energia, il surriscaldamento dei componenti e la riduzione della capacità di trasporto dell’energia medesima: di conseguenza risulta molto importante riuscire a misurare e gestire l’energia reattiva nei sistemi di alimentazione, con la finalità di garantire il funzionamento efficiente e sicuro delle reti elettriche.
Si può eliminare l’energia reattiva?
L’energia reattiva non può essere completamente eliminata, ma può essere gestita e compensata per ridurre gli effetti negativi sulle reti elettriche, utilizzando alcune tecniche per gestire questi effetti, tra le quali rientrano:
- Compensazione reattiva: mediante l’utilizzo di dispositivi chiamati condensatori o batterie di condensatori, è possibile introdurre energia reattiva in un sistema per compensare quella assorbita dai carichi induttivi: questo processo è meglio noto come compensazione reattiva o compensazione del fattore di potenza; aggiungendo quindi degli ulteriori condensatori, è possibile migliorare il fattore di potenza, riducendo conseguentemente l’energia reattiva assorbita dalla rete;
- Sistemi di controllo del fattore di potenza: alcune tipologie di dispositivi denominati compensatori statici di potenza reattiva (SVC) oppure compensatori statici di potenza reattiva ed attiva (STATCOM) possono essere utilizzate per gestire gli aspetti legati al fattore di potenza ed alla compensazione dell’energia reattiva; in genere questi dispositivi utilizzano componenti elettronici per regolare all’interno di un sistema elettrico il flusso di energia reattiva;
- Riduzione dei carichi induttivi: la riduzione dell’uso di carichi induttivi come, ad esempio, i motori ed i trasformatori può contribuire a ridurre l’energia reattiva assorbita dalla rete, così come l’utilizzo di dispositivi di avvio soft per i motori possono contribuire a ridurre l’assorbimento nella stessa energia reattiva;
- Tariffe sulla potenza reattiva: alcuni sistemi di distribuzione dell’energia elettrica applicano delle tariffe sulla potenza reattiva in eccesso, fornendo un incentivo economico per i consumatori che riducono l’energia reattiva assorbita dalla rete ed incoraggiando allo stesso tempo l’adozione di pratiche efficienti dal punto di vista energetico, oltre che l’adozione di tecnologie di compensazione reattiva.
La compensazione reattiva: alcuni dettagli
Per poter migliorare il fattore di potenza e ridurre l’energia reattiva assorbita dalla rete, con questa tecnica ci si concentra sull’aggiunta controllata di condensatori o di batterie di condensatori all’interno di un sistema elettrico, con il dichiarato obiettivo di fornire energia reattiva in modo da compensare quella assorbita dai carichi induttivi; di seguito alcuni dettagli:
- Condensatori e batterie di condensatori: i condensatori sono dispositivi elettrici che accumulano e rilasciano energia in modo rapido e che, quando sono collegati ad una rete elettrica possono fornire energia reattiva in fase opposta all’energia reattiva assorbita dai carichi induttivi: ciò riduce la quantità di energia reattiva richiesta dalla rete migliorando il fattore di potenza; quando invece si fa riferimento ad una batteria di condensatori, si intende una serie di condensatori collegati insieme tra di loro con l’obiettivo di fornire una maggiore capacità di compensazione reattiva;
- Fattore di potenza: indica il rapporto tra la potenza attiva e la potenza apparente di un sistema, con valore ideale equivalente a 1, situazione che indica che tutta la potenza fornita è utilizzata per compiere lavoro utile; tuttavia, a causa dei carichi induttivi, il fattore di potenza può scendere a valori inferiori a 1, indicando che parte della potenza fornita viene dissipata come energia reattiva. In questo caso la compensazione reattiva mira ad aumentare il fattore di potenza avvicinandolo il più possibile al valore di 1.
- Principali vantaggi di questa tecnica: l’implementazione della compensazione reattiva offre diversi vantaggi, i quali possono essere sintetizzati nel miglioramento del fattore di potenza, nella riduzione delle perdite di energia, nell’aumento delle capacità di trasporto dell’energia e nella riduzione del surriscaldamento dei componenti; in quest’ultimo caso è evidente che il mantenimento di temperature più basse risulti nel medio-lungo periodo molto utile per migliorare la durata e l’efficienza dei dispositivi;
- Controllo del fenomeno: la compensazione reattiva può essere controllata sulla base delle esigenze del sistema elettrico, utilizzando alcune tipologie di dispositivi che tendenzialmente rientrano nella categoria dei regolatori automatici.
Il controllo del fattore di potenza: maggiori dettagli sui sistemi
I sistemi di controllo del fattore di potenza sono utilizzati per regolare e mantenere, all’interno di un sistema elettrico, questo parametro entro i limiti desiderati; si utilizzano quindi dispositivi elettronici per monitorare la potenza reattiva ed attuare azioni correttive eventuali e finalizzate a mantenere il fattore di potenza nel range desiderato; ecco quindi alcuni dettagli sui sistemi di controllo del fattore di potenza
- Compensatori statici di potenza reattiva (SVC): gli SVC Sono dispositivi di controllo del fattore di potenza utilizzati per compensare l’energia reattiva in un sistema elettrico; sono costituiti da un banco di condensatori o da induttanze che possono essere collegate o scollegate dal sistema in base alle esigenze; il loro controllo dipende da algoritmi che regolano la quantità di energia reattiva che viene compensata;
- Compensatori statici di potenza reattiva ed attiva (STATCOM): si tratta di dispositivi di controllo avanzati che consentono la compensazione sia dell’energia reattiva che di quella attiva all’interno di un sistema elettrico; normalmente utilizzano convertitori di potenza a semiconduttori per fornire o assorbire energia reattiva ed attiva in modo rapido e preciso; anche in questo caso degli algoritmi avanzati monitorano e regolano continuamente l’energia presente nel sistema;
- Controllo basato su microprocessore: spesso i sistemi di controllo del fattore di potenza utilizzano microprocessori in grado di eseguire algoritmi di controllo sofisticati; questi microprocessori monitorano continuamente la potenza reattiva ed attiva, il fattore di potenza ed altri parametri, prendendo decisioni sulle azioni correttive necessarie per mantenere il fattore di potenza desiderato;
- Regolazione automatica: i sistemi di controllo del fattore di potenza possono essere configurati per regolare automaticamente la compensazione reattiva in risposta alle variazioni delle condizioni di carico o di generazione, utilizzando sensori o algoritmi di controllo, la cui azione combinata consente di attuare le correzioni necessarie per mantenere il valore desiderato;
- Monitoraggio e supervisione: spesso i sistemi di controllo del fattore di potenza includono anche funzionalità di monitoraggio supervisione per consentire agli operatori di visualizzare i parametri del sistema, di monitorare le prestazioni e di diagnosticare eventuali anomalie o guasti.
La riduzione dei carichi induttivi: precisazioni
Questa specifica tecnica consiste in una strategia utilizzata per ridurre l’energia reattiva assorbita dalla rete e migliorare il fattore di potenza, sulla base degli esempi che seguono:
- Utilizzo di motori efficienti: i motori elettrici sono una delle principali fonti di carichi induttivi, ragion per cui l’adozione di motori efficienti può contribuire a ridurre l’assorbimento di energia reattiva; in questo caso l’effetto desiderato si ottiene attraverso miglioramenti nel design dei rotori e dei materiali isolanti;
- Utilizzo di motori a velocità variabile: questa tipologia di motori, normalmente basata su un’induzione con controllo vettoriale oppure su una sincronia a magnete permanente, può ridurre l’energia reattiva assorbita, mediante un’opportuna regolazione della velocità e della coppia in modo più efficiente;
- Utilizzo di dispositivi di avvio soft: i dispositivi di avvio progressivo oppure i convertitori di frequenza possono ridurre l’energia reattiva assorbita dai motori durante la fase di avvio, controllando la tensione e la frequenza fornita al motore in fase iniziale e riducendo l’impatto dell’avvio sul fattore di potenza complessivo;
- Trasformatori efficienti: i trasformatori sono dispositivi che possono causare l’assorbimento di energia reattiva; una maggiore efficienza derivante da un nucleo magnetico di alta qualità può ridurre le perdite di energia reattiva associate al loro funzionamento;
- Utilizzo di filtri attivi: si tratta di una categoria di dispositivi elettronici che possono compensare le energie reattive indesiderata generata dai carichi induttivi; questi filtri sono in grado di monitorare la corrente elettrica e di generare una corrente di compensazione per ridurre l’energia reattiva assorbita dalla rete;
- Ottimizzazione della pianificazione e dell’utilizzo dei carichi: la gestione efficiente dei carichi può contribuire a ridurre l’energia reattiva assorbita, in quanto una programmazione intelligente un sequenziamento dei carichi ed una riduzione delle possono contribuire ad ottimizzare l’utilizzo dell’energia.
Le tariffe sulla potenza reattiva: osservazioni
Quando ci si riferisce a strategie tariffarie non si può fare a meno di concentrarsi sui fornitori di energia elettrica: questi ultimi talvolta agiscono sulle tariffe per incentivare i consumatori a ridurre l’energia reattiva generale assorbita dalla rete, basandosi sul concetto generale che l’energia reattiva non contribuisce direttamente alla produzione di lavoro utile, ma che questa richiede comunque risorse per essere fornita e trasportata attraverso la rete elettrica.
Di seguito ecco alcune di queste strategie:
- Struttura tariffaria: in alcuni casi si applica una tariffa aggiuntiva sulla base della quantità di energia reattiva assorbita rispetto all’energia attiva consumata; qualche volta viene definito un obiettivo di fattore di potenza desiderato, applicando delle penalità laddove questo parametro si discosti in modo significativo da tale obiettivo;
- Efficienza incentivata: l’obiettivo principale delle tariffe sulla potenza reattiva è quello di incentivare i consumatori a migliorare l’efficienza energetica generale dei loro impianti; normalmente si tratta di favorire l’installazione di condensatori o l’utilizzo di motori efficienti;
- Bilanciamento con altre esigenze del sistema: l’adozione di condensatori come migliorare il fattore di potenza, ma può anche aumentare la corrente reattiva che scorre nella rete, richiedendo dimensionamenti adeguati dei trasformatori e dei cavi, situazione che senza dubbio deve essere attentamente valutata e bilanciata;
- Vantaggi derivanti dalla gestione dell’energia reattiva: le tariffe introdotte sulla potenza reattiva possono motivare i consumatori a sfruttare i benefici derivanti da una maggiore efficienza del sistema elettrico, da una riduzione delle perdite di energia, da un aumento della capacità di trasporto dell’energia, da una riduzione dei costi di manutenzione e surriscaldamento dei componenti;
- Monitoraggio e misurazione: per poter applicare ed imporre delle tariffe sulla potenza reattiva è necessario monitorare e misurare le quantità assorbite dal sistema; ciò può richiedere l’installazione di strumenti di misurazione specifici oppure l’utilizzo di algoritmi di calcolo basati sui dati del consumo di energia; Il monitoraggio corretto consente di evitare eventuali maggiorazioni o penalità.
