Trasformatori Trasformatori Trasformatori Trasformatori elettrici per elettrici per elettrici per elettrici per l'l'l'l'efficientamentoefficientamentoefficientamentoefficientamento energetico. energetico. energetico. energetico.

Francesco Colla Presidente commissione tecnica Trasformatori

dell’ANIE

1° Giornata dell’efficienza

energetica in ambito industriale Rimini 7 novembre 2013

2

• Introduzione • Nuovo regolamento europeo per i

trasformatori • Tecnologie disponibili • Costo Capitalizzato del Trasformatore • Pay-Back

INDICEINDICEINDICEINDICE

2000 2007 2030 2020

Emissione diCO2

(Gigaton)

40

30

20

57%

20%

10%

10%

Efficienza

energetica

Rinnovabili

Nucleare

CCS*

Andamento

corrente

*Carbon capture and storage

Biocarburanti (3%)

Andamento dell’emissione di CO2 e proposta di misure di rivolte a mantenere la sua concentrazione a 450 ppm.

Source: IEA (International Energy Agency, World Energy

Outlook 2009

Introduzione

Nuovo regolamento europeo per i trasformatori

Nel quadro del risparmio energetico, per quanto riguarda i prodotti elettrici la CE ha già emesso regolamenti ( in accordo con la Eco design Directive 2009/125/EC) che vietano la circolazione di prodotti poco efficienti, avendo già regolamentato per es. le lampade ed i motori. Anche i trasformatori sono stati presi in considerazione da un punto di vista del miglioramento dell’efficienza e saranno fatti oggetto di un regolamento che andrà in vigore presumibilmente a partire dal 2015. Per quanto riguarda i trasformatori di distribuzione il regolamento copia i valori contenuti nelle Norme Europee: • CEI EN 50541-1:2011-04, Trasformatori trifase di distribuzione di tipo

a secco. • CEI EN 50464-1: 2007-08, Trasformatori trifase di distribuzione

immersi in olio

5

Tier 1 (from 1 July 2015) Tier 2 (from 1 July 2021)

RATED POWER

(kVA)

Maximum load

losses (in Watts) *

Maximum no-load

losses (in Watts)*

Maximum load

losses (inWatts)*

Maximum no-load

losses (in Watts)*

25 Ck (900) Ao(70) Ak(600) Ao-10% (63)

50 Ck (1100) Ao(90) Ak(750) Ao-10%(81)

100 Ck (1750) Ao(145) Ak(1250) Ao-10%(130)

160 Ck (2350) Ao(210) Ak(1750) Ao-10%(189)

250 Ck (3250) Ao(300) Ak(2350) Ao-10%(270)

315 Ck (3900) Ao(360) Ak(2800) Ao-10%(324)

400 Ck (4600) Ao(430) Ak(3250) Ao-10%(387)

500 Ck (5500) Ao(510) Ak(3900) Ao-10%(459)

630 Ck (6500) Ao(600) Ak(4600) Ao-10%(540)

800 Ck (8400) Ao(650) Ak(6000) Ao-10%(585)

1000 Ck (105000) Ao(770) Ak(7600) Ao-10% (693)

1250 Bk (11000) Ao(950) Ak(9500) Ao-10%(855)

1600 Bk(14000) Ao(1200) Ak(12000) Ao-10%(1080)

2000 Bk (18000) Ao(1450) Ak(15000) Ao-10%(1305)

2500 Bk (22000) Ao(1750) Ak(18500) Ao-10%(1575)

3150 Bk (27500) Ao(2200) Ak(23000) Ao-10%(1980)

a.1) Specific requirements for three-phase medium power transformers with rated power ≤3150kVA

Table I.1: Maximum load and no-load losses for three-phase liquid-immersed medium power transformers with the high-voltage

winding rated ≤ 24 kV and the other winding rated ≤ 1,1 kV

6

Tier 1 (1 July 2015) Tier 2 (1 July 2021)

RATED POWER (kVA)

Maximum load

losses (in Watts)*

Maximum no-load

losses (in Watts)*

Maximum load

losses (in

Watts)*

Maximum no-load

losses (in Watts)*

50 Bk (1700) Ao(200) Ak(1500) Ao-10%(180)

100 Bk (2050) Ao(280) Ak(1800) Ao-10%(252)

160 Bk (2900) Ao(400) Ak(2600) Ao-10%(360)

250 Bk (3800) Ao(520) Ak(3400) Ao-10%(468)

400 Bk (5500) Ao(750) Ak(4500) Ao-10%(675)

630 Bk (7600) Ao(1100) Ak(7100) Ao-10%(990)

800 Ak (8000) Ao(1300) Ak(8000) Ao-10%(1170)

1000 Ak (9000) Ao(1550) Ak(9000) Ao-10%(1395)

1250 Ak (11000) Ao(1800) Ak(11000) Ao-10%(1620)

1600 Ak (13000) Ao(2200) Ak(13000) Ao-10%(1980)

2000 Ak (16000) Ao(2600) Ak(16000) Ao-10%(2340)

2500 Ak (19000) Ao(3100) Ak(19000) Ao-10%(2790)

3150 Ak (22000) Ao(3800) Ak(22000) Ao-10%(3420)

Table I.2: Maximum load and no-load losses for three –phase dry-type medium power transformers with the high-voltage winding rated ≤ 24 kV and the other winding rated ≤ 1,1kV

Tabella Perdite a carico tratta dalla Tabella 2 delle

norme EN 50464-1 (Um ≤ 24 kV)

Potenz

a (kVA)

Dk Ck Bk Ak ∆ Ak

rispetto

Dk

Zcc

(kVA) (W) (W) (W) (W) (%) (%)

50 1350 1100 875 750 -44 4

100 2150 1750 1475 1250 -42 4

160 3100 2350 2000 1700 -45 4

250 4200 3250 2750 2350 -44 4

400 6000 4600 3850 3250 -46 4

630 8400 6500 5400 4600 -45 4

630 8700 6750 5600 4800 -45 6

800 10500 8400 7000 6000 -43 6

1000 13000 10500 9000 7600 -42 6

1250 16000 13500 11000 9500 -41 6

1600 20000 17000 14000 12000 -40 6

2000 26000 21000 18000 15000 -42 6

2500 32000 26500 22000 18500 -42 6

Tabella Perdite a voto tratta dalla Tabella 3 delle norme

EN 50464-1 (Um ≤ 24 kV)

Potenz

a

E0 D0 C0 B0 A0 ∆ A0

rispetto

E0

Zcc

(kVA) (W) (W) (W) (W) (W) (%) (%)

50 190 145 125 110 90 -38 4

100 320 260 210 180 145 -44 4

160 460 375 300 260 210 -44 4

250 650 530 425 360 300 -43 4

400 930 750 610 520 430 -43 4

630 1300 1030 860 730 600 -42 4

630 1200 940 800 680 560 -40 6

800 1400 1150 930 800 650 -43 6

1000 1700 1400 1100 940 770 -45 6

1250 2100 1750 1350 1150 950 -46 6

1600 2600 2200 1700 1450 1200 -45 6

2000 3100 2700 2100 1800 1450 -46 6

2500 3500 3200 2500 2150 1750 -45 6

Tabella Perdite tratta dalla Tabella 5 delle norme EN 50541-1 (Um 17,5

e 24 kV, Zcc = 6%)

Perdite a carico Perdite a vuoto

Potenza Ak Bk ∆ Ak

rispetto

Bk

A0 B0 C0 ∆ A0

rispetto

C0

(kVA) (W) (W) (%) (W) (W) (W) (%)

100 1800 2050 -12 280 340 460 -39

160 2600 2900 -10 400 480 650 -38

250 3400 3800 -11 520 650 880 -41

400 4500 5500 -18 750 940 1200 -38

630 7100 7600 -7 1100 1250 1650 -33

800 8000 9400 -15 1300 1500 2000 -35

1000 9000 11000 -18 1550 1800 2300 -33

1250 11000 13000 -15 1800 2100 2800 -36

1600 13000 16000 -19 2200 2400 3100 -29

2000 16000 18000 -11 2600 3000 4000 -35

2500 19000 23000 -17 3100 3600 5000 -38

3150 22000 28000 -21 3800 4300 6000 -37

Confronto perdite A0, Ak secco-olio

Trasformatori in

olio Perdite

EN 50541-1

Trasformatori a

secco Perdite

EN 50464-1

Variazione secco vs

olio

Potenz

a

A vuoto A carico A vuoto A carico ∆ Perdite

a vuoto

∆Perdite a

carico

(kVA) A0 (W) AK (W) A0 (W) AK (W) (%) (%)

250 300 3400 520 2350 73 -31

400 430 4500 750 3250 74 -28

630 560 7100 1100 4800 96 -32

1000 770 9000 1550 7600 101 -16

1600 1200 13000 2200 12000 83 -8

2500 1750 23000 3100 15000 77 -35

Nuovo regolamento europeo per i trasformatori

Per rientrare nei valori della Tabella delle slides

precedenti nella Fase 1, (dal luglio 2015), oltre ai normali

interventi per ridurre le perdite che consistono

principalmente nell’abbassare:

• l’induzione per le perdite a vuoto

• la densità di corrente per le perdite a carico

é possibile l’adozione di lamierini a più bassa cifra di

perdita che permettono di contenere massa e dimensioni

del trasformatore.

Nuovo regolamento europeo per i trasformatori

Pos. Denominazione Tipo Spessore

nominale (mm) Perdite Specifiche 50

Hz, 1.7T (W/kg)

Variazione

rispetto a

30M5 (%)

1 35M6 0,35 1,60 14

2 30M5 0,30 1,40 0

3 30M0H 0,30 1,05 -25

4 30M1H 0,30 1,11 -21

5 30M2H 0,30 1,17 -16

6 30M3H 0,30 1,23 -12

7 27M4 0,27 1,32 -6

8 27MOH 0,27 1,03 -26

9 27M1H 0,27 1,09 -22

10 27MZH(*) 0,27 0,93 -34

11 23MOH 0,23 0,95 -32

12 23MZH(*) 0,23 0,82 -41

(*) lamierini trattati al laser

La Tabella seguente elenca i lamierini magnetici (Fe-Si) a grani orientati, utilizzati

dai costruttori di trasformatori, per spessore decrescente.

Tecnologie disponibili

Per quanto riguarda la tecnologia

costruttiva i trasformatori si

suddividono principalmente in due tipi:

� Trasformatori isolati in olio

� Trasformatori isolati in resina

Trasformatori isolati in olio

I trasformatori isolati in olio, sono quelli di gran lunga più

usati. Essi sono la quasi totalità dei trasformatori impiegati da

Enel.

Essi sono caratterizzati da:

• basse perdite

• rumore molto contenuto

• assenza di manutenzione (per i tipi con cassa ermetica)

• elevata resistenza agli shocks termici

• installazione all’esterno

• quasi totale riciclabilità dei materiali a fine vita

Tecnologie disponibili

Tecnologie disponibili Trasformatori a secco

I trasformatori isolati in resina, sono stati sviluppati come una delle

possibili soluzioni volte a minimizzare i rischi d’incendio e conseguente

contaminazione dell’ambiente, che possono essere connessi con l’impiego

di trasformatori isolati in olio.

Le applicazioni tipiche sono quindi:

• Edifici ad alta densità abitativa

• Centri commerciali

• Ospedali

• Metropolitane

• Impianti di generazione eolica e fotovoltaica

• Piattaforme per l’estrazione di idrocarburi

• Navi

• Impianti petrolchimici

• Centrali nucleari, ecc.

16

Il mercato privato italiano è per l’80% costituito da trasformatori a secco, per questo ci soffermiamo ad analizzare il miglioramento dell’efficienza possibile per questi trasformatori. La tabella seguente è una mappa delle possibili combinazioni.

TRASFORMATORI A SECCO

Standard Bk

Perdite a vuoto

C0 B0 A0

Ak-20%

Ak Ak A0

Perd

ite a

cari

co

17

La riduzione delle perdite comporta importanti benefici per l’ambiente legati alla minor emissione di gas serra. Un trasformatore con perdite ridotte ha un costo d’acquisto maggiore. Perché spendere di più? Sarà necessario farlo quando entrerà in vigore il Regolamento Europeo, ma se nel valutare l’acquisto del trasformatore si calcola il costo capitalizzato, può risultare conveniente, fin da subito, acquistare un trasformatore a basse perdite.

Costo Capitalizzato del Trasformatore

Costo capitalizzato Dimensionamento ottimo del trasformatore

� Il dimensionamento che si prefigge il costo minimo di fabbricazione ha come risultato un

incremento delle perdite e del costo di esercizio per l’acquirente e l’esercente del trasformatore

� D’altra parte una riduzione delle perdite causa un maggior costo di fabbricazione

� La soluzione più conveniente dal punto di vista del costo totale é rappresentata dal minimo della

somma del costo di fabbricazione più il costo delle perdite. (vedi grafico)

Tra le varie strategie di scelta di un trasformatore, il criterio più

corretto è quello di considerare il trasformatore che presenta il costo

capitalizzato più basso, in particolare la scelta di un trasformatore a

perdite ridotte oltre a determinare una riduzione del costo in

“bolletta” ha come effetto una riduzione dell’emissione di gas serra.

Il costo totale del trasformatore per l’utilizzatore è costituito dalla

somma di due componenti principali:

1. Il costo iniziale che a sua volta risulta dalla somma del prezzo

d’acquisto e del costo d’installazione.

2. I costi operativi che sono collegati principalmente al

funzionamento del trasformatore.

Costo capitalizzato del trasformatore

Costo capitalizzato del trasformatore

Il modo semplificato più generalmente usato per calcolare il costo

capitalizzato di un trasformatore è espresso dalla formula seguente:

CC = CA + AP0 + BPk

dove:

• CC = costo capitalizzato;

• CA = costo per l’acquisto del trasformatore;

• A = fattore di capitalizzazione delle perdite a vuoto espresso in €/kW

• P0 = perdite a vuoto garantite in kW;

• B = fattore di capitalizzazione delle perdite dovute al carico espresso in

€/kW

• Pk = perdite dovute al carico garantite in kW.

Costo capitalizzato del trasformatore

• Il primo termine genera costi connessi al capitale impiegato

• Il secondo termine che comprende i costi di esercizio riguarda

soprattutto il costo dell’energia necessaria ad alimentare le perdite del trasformatore, ed è di gran lunga superiore al

costo iniziale (più del doppio) se calcolato su una vita media

superiore a 30 anni.

• Il costo delle perdite (che rappresenta di solito circa il 70% del

costo capitalizzato) si genera durante la vita del

trasformatore, detto costo è attualizzato mediante i fattori A e B. Il calcolo di questi fattori lo vedremo più avanti.

• P0 e Pk sono dati tipici del trasformatore, A e B dipendono dal

profilo di carico del trasformatore e dal prezzo dell’energia.

© ABB Group

November 13, 2013 | Slide 22

Costo capitalizzato del trasformatore

Calcolo dei coefficienti A e B

Per poterli calcolare opportunamente occorre sapere: � Quante ore l’anno il trasformatore è energizzato

(tipicamente sempre = 8760 ore) � Quante ore l’anno il trasformatore lavora con un

carico collegato (ad es. una cartiera che lavora 6 gg/settimana può essere sulle 6.500 ore)

� A quale % della sua potenza lavora mediamente (tipicamente un trasformatore di distribuzione è sempre sovradimensionato e siamo sotto il 50%)

� Quanto costa il kWh? � Che aspettative ci sono di sviluppo dei consumi?

Costo capitalizzato del trasformatore

Dove:

• 8760 sono le ore di annuali in cui il trasformatore è tenuto in tensione

• d = è il costo attuale dell’energia

• p = è l’incremento di costo medio per anno dell’energia

• n = è il numero di anni richiesti per il ritorno dell’investimento

• i = tasso di inflazione annuale media

pi

pd

An

n

⋅

+

⋅

−

+⋅⋅

=

1001

1001100

18760

Si calcolano di seguito i fattori A e B

Costo capitalizzato del trasformatore

Dove per i nuovi parametri si ha:

• Ieqinit = in per unità della corrente nominale del trasformatore prevista per il primo anno di servizio

• z = è l’incremento della corrente di carico per anno negli anni successivi

1100

1100

1

1100

1100

1

1001

8760

2

2

2

−

+⋅

+

−

+⋅

+

⋅

+

⋅⋅

=

pz

pz

i

dIB

n

n

eqinit

Tempo di rientro (Pay-Back) della differenza del costo d’acquisto di trasformatori di diversa efficienza

• In alternativa al costo capitalizzato, si può considerare il tempo di rientro dell’investimento (Pay-Back), meno accurato, ma di più semplice utilizzo.

• Si tratta di confrontare il costo di acquisto di 2 trasformatori, con diversa efficienza, e di considerare il risparmio economico annuale dovuto alla maggiore efficienza.

• Dividendo la differenza dei costi d’acquisto, ovvero il maggior costo del trasformatore più efficiente, per il risparmio annuale si ottiene il tempo in cui l’investimento si ripaga, dopo di che è tutto risparmio.

• Attenzione, pur essendo molto veloce e molto usato, non è il sistema più corretto perché guarda ad un orizzonte temporale molto breve e non tiene nella dovuta considerazione tra l’atro, la probabile crescita del costo dell’energia elettrica negli anni e l’attualizzazione del valore della moneta.

Payback

Il ritorno dell'investimento in anni quando si acquista un trasformatore a perdite ridotte invece di uno a perdite standard è espresso dalla seguente formula:

n = (CAR - CAS)/[A(P0R-P0S) + B(PKR-PKS)]La formula vale per un numero limitato di anni per cui si possa in prima approssimazione prescindere da alcune variabili quali:

l'inflazione, l'aumento del costo dell'energia, l'incermento del carico dovuto all'espansione dell'attività.

dove:

CAR = costo d'acquisto di un trasformatore a perdite ridotte

CAS = costo d'acquisto di un trasformatore a perdite standard

A = costo specifico annuale delle perdite a vuoto espresso in €/kW

P0S = perdite a vuoto garantite del trasformatore standard (nel data sheet del cliente) in kW;

P0R = perdite a vuoto garantite del trasformatore a perdite ridotte (nell'offerta ABB) in kW;

B = costo specifico annuale delle perdite dovute al carico espresso in €/kW

PKS = perdite dovute al carico garantite del trasformatore a perdite standard (nel data sheet del cliente) in kW.

PKR = perdite dovute al carico garantite del trasformatore a perdite ridotte (nell offerta ABB) in kW.

Payback

Dati d'ingresso (in rosso) Leggenda

8760 sono le ore di annuali in cui il trasformatore è tenuto in tensione e sono dissipate le perdite a vuoto

d = 0,15 €/kWh è il costo attuale dell’energia

Risultato (in verde)

A = 1314 €/kW

Calcolo delle ore equivalenti a pieno carico annue in cui sono dissipate le perdite a carico

esse dipendono dal numero di turni di lavoro, dalle ore per turno, dai giorni lavorati nell'anno e dal carico effettivo

secondo la seguente tabella

Dati d'ingresso (in rosso) Risultato (in verde)

N° turni ore/anno ore/turno

giorni/

anno Carico

Ore

eq./anno

2 3200 8 200 0,7 1568

B = 235 €/kW

Calcolo del fattore A

Calcolo del fattore B

Payback

Calcolo comparativo trasformatore da: 1 MVA Dry

Perdite

(kW)Standard Ridotte

P0G = 2,6 KW 0,3 394€

P0 = 2,3

PKG = 11 KW 1,2 282€

Pk = 9,8

676€

CAR = 9500

CAS = 10600 1.100€

Pay-back anni 1,6

Il ritorno del maggior investimento è di 1,6 anni.

Grazie per l’attenzione

www.anienergia.it