Facendo seguito alle indicazioni del trattato internazionale noto come “Protocollo di Kyoto”, la Comunità Europea nel 2005 ha emesso la Direttiva 2005/32/EC, detta comunemente Direttiva di Ecodesign, mirata ad implementare l’efficienza energetica negli apparecchi utilizzatori di energia elettrica.
Successivamente, nel 2009, con la Direttiva 2009/125/EC, l’ambito della precedente Direttiva è stato ampliato ed esteso anche agli apparecchi correlati all’utilizzo dell’energia elettrica e, in tale contesto, sono state previste regole specifiche per i trasformatori di piccola, media e grande potenza, riportate nel Regolamento (UE) N. 548/2014.
La Commissione Europea ha pertanto ritenuto rilevante conseguire una parte di risparmio energetico attraverso l’incremento dell’efficienza dei trasformatori installati nei paesi della Comunità Europea.
Nel seguito sono riportate le principali prescrizioni fornite dal Regolamento di “Ecodesign” N. 148/2014 per i trasformatori e dalle norme tecniche correlate: CEI EN 50588-1 e CEI EN 50629, rispettivamente per i trasformatori definiti di media potenza e per quelli di grande potenza.
Si precisa che le norme tecniche CEI EN sopra riportate, oltre che ai requisiti necessari per rispondere al Regolamento (UE) N. 548/2014, forniscono ulteriori prescrizioni (relative, per esempio, ad aspetti di prova per i trasformatori di media potenza, ad ulteriori indicazioni per i grandi trasformatori di tipo monofase, autotrasformatori, trasformatori con più avvolgimenti e trasformatori con sistemi di raffreddamento OD e OF), ritenute necessarie per una corretta applicazione dei requisiti di efficienza energetica.
Regolamento (UE) N. 548/2014 della Commissione del 21 maggio 2014
Sulla base della Direttiva 2009/125/EC del Parlamento europeo e del Consiglio, del 21 ottobre 2009, relativa all’istituzione di un quadro per l’elaborazione di specifiche per la progettazione ecocompatibile dei prodotti connessi all’energia quali i trasformatori, la Commissione ha condotto uno studio preparatorio per analizzare gli aspetti ambientali ed economici dei trasformatori. Lo studio è stato realizzato in cooperazione con le parti interessate al problema, costruttori e utilizzatori di trasformatori, pervenendo alla conclusione che i trasformatori possono essere considerati prodotti connessi all’energia ai sensi dell’articolo 2, paragrafo 1, della Direttiva 2009/125/EC.
Lo studio ha mostrato che l’aspetto ambientale più rilevante, che può essere influenzato dalla progettazione di questi prodotti, è l’energia nella fase di esercizio. Anche se nella fabbricazione dei trasformatori sono impiegati quantitativi considerevoli di materie prime (rame, ferro, resina, alluminio), i meccanismi di mercato sembrano garantire un adeguato trattamento di fine vita del prodotto e non si è pertanto ritenuto necessario stabilire requisiti specifici in materia. Lo studio ha inoltre messo in evidenza la necessità di definire requisiti in materia di progettazione ecocompatibile per i trasformatori di potenza medi e grandi al fine di favorire la penetrazione sul mercato di tecnologie e soluzioni di progettazione che ne migliorino il rendimento o l’efficienza energetica.
Nel 2008 le perdite annuali totali subite dal parco trasformatori nell’UE ammontavano a 93,4 TWh. Le potenzialità di miglioramento in termini di costi, generate da una migliore progettazione, sono state stimate per il 2025 in circa 16,2 TWh all’anno, pari a 3,7 Mt di emissioni di CO2. Conseguendo con ciò il duplice scopo, previsto dal Protocollo di Kyoto, di migliorare il risparmio energetico e di ridurre l’emissione dei gas serra.
Tenuto conto delle considerazioni sopra esposte, sulla Gazzetta Ufficiale dell’Unione Europea del 21 maggio 2014 è stato pubblicato il Regolamento concernente le prescrizioni relative al contenimento delle perdite dei trasformatori di potenza piccoli, medi e grandi. Il Regolamento si applica a tutti i trasformatori immessi sul mercato europeo e prevede due fasi di attuazione: la prima già avviata dal 1° luglio 2015 e la seconda che prevede obiettivi più ambiziosi in termini di risparmio energetico, che dovrebbe essere introdotta dal luglio 2021.
Al momento il Regolamento è in fase di riesame da parte della Commissione sia al fine di valutarne l’impatto nel campo della produzione e dell’impiego dei trasformatori che per esaminare la reale applicabilità dei criteri più ambiziosi previsti per la seconda fase di applicazione.
Criteri introdotti dal Regolamento nell’ambito del risparmio energetico dei trasformatori
Il campo di applicazione del Regolamento riguarda prevalentemente i seguenti trasformatori:
a) trasformatori trifase medi1 immersi in un liquido con potenza nominale ≤ 3150 kVA, con tensione dell’avvolgimento primario Um ≤ 24 kV e con tensione dell’avvolgimento secondario Um ≤ 1,1 kV;
b) trasformatori trifase medi immersi di tipo a secco con potenza nominale ≤ 3150 kVA, con tensione dell’avvolgimento primario Um ≤ 24 kV e con tensione dell’avvolgimento secondario Um ≤ 1,1 kV;
c) trasformatori trifase medi immersi in un liquido con potenza nominale > 3150 kVA e fino a 40000 kVA;
d) trasformatori trifase medi tipo a secco con potenza nominale > 3150 kVA e fino a 10000 kVA;
e) trasformatori trifase medi tipo a secco con potenza nominale compresa tra 25 kVA e 315 kVA da impiegare su pali;
f) trasformatori trifase grandi immersi in un liquido con potenza nominale compresa fra ≤ 4 MVA e fino a ≥ 100 MVA.
Per i trasformatori di cui ai punti a) e b), i criteri per la definizione dell’efficienza energetica sono basati sulla definizione delle perdite a vuoto e a carico in conformità alle tabelle 1 e 2.
Si ritiene opportuno evidenziare che per i trasformatori di media potenza al momento non c’è possibilità di deroghe, oltre alle maggiori flessibilità riportate nel Regolamento stesso per alcune tipologie come i trasformatori da palo, per i quali sono previste perdite più alte (ovvero efficienza più bassa) in modo da assicurarne la sostituzione su palo in alcuni Paesi, tenendo conto del possibile incremento dei pesi causato da requisiti di efficienza elevata, ed i trasformatori con Um degli avvolgimenti più alte di quelle indicate per la tabella 1, per i quali sono previste apposite correzioni, come nel caso di Um pari a 36 kV per l’avvolgimento primario o 3,6 kV per il secondario.
È importante sottolineare che i valori prescritti, con le flessibilità e le correzioni sopra menzionate, sono sempre da intendersi come valori massimi senza tolleranze e, nel caso di superamento di tali valori, il trasformatore non risulta conforme al Regolamento e pertanto non può essere immesso sul mercato europeo.
Per i trasformatori di cui ai punti d), e) ed f), viene introdotto il concetto di Efficiency Index (EI) e di Peak Efficiency Index (PEI).
La nuova metrica, diversamente dall’efficienza tradizionale ben nota per i trasformatori di potenza, tiene conto dei dati del trasformatore prescindendo da aspetti di esercizio, come per esempio il cosØ del carico e il fattore di carico, che avrebbero reso difficilmente praticabile la definizione di un indice univoco per tutti i trasformatori.
La nuova metrica tiene anche conto del consumo degli accessori elettrici connessi al funzionamento del trasformatore, come le perdite dovute all’impiego di aerotermi, ventilatori e pompe per il raffreddamento.
L’EI e il PEI sono definiti sulla base delle seguenti equazioni:
dove:
• k è il rapporto fra potenza nominale e potenza applicata al trasformatore;
• Sr è la potenza nominale della macchina in esame;
• P0 sono le perdite a vuoto;
• PC0 sono le perdite per raffreddamento sviluppate a vuoto;
• Pk sono le perdite a carico;
• Pk0 sono le perdite per raffreddamento sviluppate a carico;
• Pck(k) è la potenza elettrica supplementare richiesta (in aggiunta a Pc0) dal sistema di raffreddamento per il funzionamento a k volte il carico nominale.
Si precisa che l’equazione relativa all’EI è riportata nella normativa tecnica CEI EN 50629 mentre, ai fini del Regolamento (EU) N. 548/2014, viene riportata la sola formula relativa al PEI.
Per un trasformatore con raffreddamento ONAN, un esempio grafico viene fornito nella figura 1. In tale figura è riportato l’andamento dell’Efficiency Index per i diversi fattori di carico “k”.
Il valore massimo di EI rappresenta il PEI che si otterrà al corrispondente fattore di carico kPEI :
Con riferimento alla metrica sopra riportata, è stata eseguita un’indagine che ha consentito di verificare l’efficienza energetica di oltre 8000 trasformatori di progetti diversi, costruiti nei diversi paesi della Comunità Europea ed installati all’incirca dal 2000 in poi. Per la definizione dei valori relativi alla fase 1, sono stati definiti i valori di PEI in modo da scartare all’incirca 25% dei trasformatori meno efficienti tra quelli dei dati raccolti, mentre per la fase 2 si è fatto riferimento al 50%. I valori per le taglie di potenza specifiche sono poi stati uniformati per allineare alcune distorsioni introdotte da progetti specifici che altrimenti avrebbero dato valori non uniformi al variare delle taglie di potenze. In questo modo è stato possibile definire le prescrizioni di performance energetiche facendo riferimento ai valori di PEI riportati nella tabella 3.
Va tuttavia evidenziato che nei documenti normativi viene raccomandato che i valori prescritti di PEI siano presi a riferimento come base minima di efficienza e che appropriati criteri di capitalizzazione delle perdite andrebbero adottati per raggiungere valori di efficienza anche superiori a quelli prescritti.
Per i trasformatori di grande potenza, che possono raggiungere dimensioni ragguardevoli, nel caso di restrizioni impiantistiche o di trasporto, nel Regolamento sono previste possibilità di deroghe ai valori di PEI prescritti. Al di fuori di tali possibilità, sui valori prescritti di PEI non sono previste tolleranze. Pertanto un trasformatore che eccedesse tali valori non potrebbe essere commercializzato sul mercato europeo, anche se, diversamente dai trasformatori per i quali sono previste perdite fisse, il trasformatore soggetto ai requisiti di PEI potrebbe rientrare nei parametri previsti dal Regolamento a seguito di un’opportuna modifica dei dati di targa.
Per semplicità di esposizione non si sono riportate tutte le tabelle definite nel Regolamento in discussione, che riguardano fondamentalmente i trasformatori a secco e trasformatori installati su palo. Per questi trasformatori si rimanda al documento ufficiale già citato e riportato in bibliografia.
Sorveglianza del mercato
Per verificare il rispetto dei valori di efficienza energetica prescritti, nel Regolamento sono previste le modalità per effettuare delle sorveglianze sui trasformatori immessi sul mercato europeo. Le autorità dei singoli Stati membri dovranno pertanto prevedere l’effettuazione di queste verifiche. Le indicazioni principali riguardanti l’effettuazione di queste verifiche sono indicate nel Regolamento stesso; vale la pena di ricordare che in questo caso è ammessa una tolleranza sulle misure del 5% per tenere conto di strumentazione, incertezze di misura, laboratori e peridi diversi nei quali potrebbero venire effettuate le misure.
Per la valutazione delle incertezze di misura, i criteri sono definiti nelle norme CEI EN 50588-1 e 50629, facendo riferimento alla norma particolare CEI EN 60076-19, che tratta appunto gli aspetti relativi alla determinazione delle incertezze nella misura delle perdite dei trasformatori di potenza.
Evoluzione del Regolamento
Al momento dell’adozione del Regolamento, la migliore tecnologia disponibile sul mercato per i trasformatori di media potenza è stata identificata come segue:
a) trasformatori di media potenza immersi in un liquido: Ao – 20%, Ak – 20%;
b) trasformatori di media potenza del tipo a secco: Ao – 20%, Ak – 20%;
c) trasformatori di media potenza con anima di acciaio amorfo: Ao – 50%, Ak – 50%.
Entro tre anni dall’entrata in vigore del Regolamento, la Commissione procederà al suo riesame (attualmente in corso), tenendo conto dei progressi tecnologici, e presenterà i risultati di tale riesame al forum consultivo.
Il riesame analizzerà in particolare i seguenti aspetti:
- possibilità di fissare valori minimi relativi all’indice di efficienza di picco per tutti i trasformatori di potenza medi, compresi quelli con una potenza nominale inferiore a 3150 kVA;
- possibilità di distinguere, se del caso, le perdite legate al trasformatore di base da quelle imputabili ad altri componenti che svolgono funzioni di regolazione della tensione;
- opportunità di stabilire requisiti minimi di rendimento per trasformatori di potenza monofase, nonché per i piccoli trasformatori di potenza;
- appropriatezza delle deroghe accordate per i trasformatori montati su palo e per particolari combinazioni di tensioni degli avvolgimenti nei trasformatori di potenza medi;
- possibilità di intervenire sugli impatti ambientali diversi dal consumo di energia nella fase di esercizio;
- disponibilità di materiale per la fabbricazione di trasformatori con nucleo di acciaio amorfo che dovrà essere ulteriormente sviluppata prima che i valori delle perdite prescritti per la Fase 2 di applicazione del Regolamento possano essere considerati in futuro requisiti minimi.
Il riesame è in corso in questi mesi ed il Comitato Tecnico 14 CEI sta partecipando alle attività del corrispondente CENELEC CT14 Europeo a supporto del riesame.
Tra le principali attività in corso si rammentano una raccolta dei limiti per trasformatori, in termini di pesi e dimensioni, presenti oggi nelle principali società elettriche europee. Tali dati saranno propedeutici per valutare le possibili limitazioni dovute all’incremento di pesi e dimensioni che i trasformatori più efficienti avranno in funzione dei valori ambiziosi di prestazioni energetiche previste dalla seconda fase della Direttiva nel 2021, e per considerare la necessità di deroghe anche per i trasformatori di media potenza.
Bibliografia
[1] Regolamento (UE) N. 548/2014 della Commissione del 21 maggio 2014.
[2] CEI EN 50588-1:2016-06: Trasformatori di media potenza a 50 Hz, con tensione massima per l’apparecchiatura non superiore a 36 kV – Parte 1: Prescrizioni generali.
[3] CEI EN 50629:2015-09: Prestazione energetica dei trasformatori di grande potenza (Um > 36 kV o Sr 40 MVA).
[4] CEI EN 60076-19:2016-03: Trasformatori di potenza – Parte 19: Regole per la determinazione delle incertezze nella misura delle perdite dei trasformatori di potenza e dei reattori.
