Controllo e supervisione dell'energia reattiva in un impianto di produzione

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Introduzione 
 
Il progetto che sarà presentato in questa tesi riguarda la realizzazione di un'applicazione 
client/server per la realizzazione della supervisione dell'energia reattiva in un impianto di 
produzione industriale qual è quello di Silicio Solar, un‟impresa spagnola con sede in Cuitad 
Real. 
Il sistema nel suo complesso è una SCADA che però non è commerciale ma fatto ad hoc per 
essere più flessibile alle esigenze del cliente che ha chiesto l'applicazione stessa. Questo vuol 
dire che non è un sistema di acquisizione di dati e controllo di supervisione comprato da un 
fornitore come Siemens o Allen Bradley, ma che è sviluppato interamente nell'impresa dove 
ho realizzato questo progetto. 
La necessità di modificare l‟impianto industriale deriva da quello che è il desiderio 
dell'impresa di "bonificare" l'energia elettrica che può prodursi grazie al sistema di 
cogenerazione utilizzato per la produzione di energia per il consumo della fabbrica e per la 
vendita alla rete commerciale. 
L'unico problema è che la società che compra l'elettricità mette una penalità alle imprese che 
vendono energia elettrica con un fattore di potenza troppo basso o, detto in altre parole, il 
denaro che ottiene è variabile secondo quanto questo valore è più o meno vicino all'unità; 
quindi l'obiettivo è far si che il fattore di potenza sia più alto possibile. 
Per questa ragione Silicio Solar ha deciso di dividere l‟impianto industriale di consumo dalla 
parte di generazione che non può somministrare più l'energia reattiva. La soluzione pensata 
prevede l'installazione dei condensatori che si usano per il miglioramento del fattore di 
potenza, e costituisce il metodo più economico, rapido e sicuro di proporzionare l'energia 
reattiva richiesta. 
La funzione dei condensatori è immagazzinare energia quando il campo magnetico la cede e 
cederla quando il campo magnetico la sollecita; i condensatori funzionano pertanto come 
generatori locali dell'energia magnetica per il motore. 
Anche se il mio compito è stato quello di sviluppare solo l'applicazione client/server per la 
supervisione dall'energia reattiva, nel progetto si farà una lunga introduzione che si riferisce a 
quali sono gli schemi elettrici dell‟impianto, i problemi che nascono quando si fornisce 
energia reattiva e pertanto si fa uno studio preliminare del problema perché ho pensato che 
non era possibile comprendere come trovare una soluzione efficiente senza comprendere 
interamente il sistema. 
Nel primo capitolo si descrive l'impresa, dove s‟installa tutta l'applicazione e si analizza per 
esempio ciò che produce, perché questo è importante per comprendere perché è possibile 
installare un impianto di cogenerazione per produrre energia elettrica e inoltre perché si 
genera molta reattiva. In effetti, si spiega che, poiché questa fabbrica produce celle solari, 
sono necessari forni elettrici che arrivano a temperature di 1400 °C, che è la temperatura alla 
quale fonde il silicio e con questo consumo importante è naturale che questi tipi di problemi 
possano sorgere. 
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Nel secondo capitolo si fa un‟analisi di tutto quello che è lo schema elettrico dell‟impianto 
industriale e dopo la modifica con l'introduzione dei condensatori facendo una descrizione 
dettagliata di tutti i membri che sono sistemati in fabbrica e in più si descrivono quelle che 
sono le proprie funzionalità nel sistema totale. In questo modo è possibile comprendere 
perché in fase di pianificazione si adottarono alcune scelte e perché per esempio si mettono 
ora due batterie di condensatori di differenti valori o perché si mettono i Simeas per il 
controllo dell'energia reattiva. 
Il terzo capitolo concerne il problema della cogenerazione e dell'energia reattiva e si spiega 
quali sono i vantaggi dell'uso di una tecnologia come questa per la produzione dell'elettricità. 
Inoltre si commenta, sempre in questo capitolo, come si genera energia reattiva e quali sono i 
rimedi per compensarla poiché non può essere eliminata a priori. È molto importante 
ricordare che tutti i valori sono stati misurati direttamente nella fabbrica sia grazie ad uno 
studio fatto da parte di alcuni fornitori che fecero preventivi per la vendita delle batterie dei 
condensatori, che quindi dovevano di conoscere in modo esatto il carico della fabbrica e tutto 
il suo stato, sia da parte di REVSA, che è il nome dell'impresa dove ho sviluppato il progetto, 
per stimare in modo preventivo un funzionamento ottimo dell'intera applicazione. 
Nel quarto capitolo si descrive in modo dettagliato come funziona un sistema SCADA, quali 
sono le funzioni che soddisfa e quali sono i membri che incorpora sia in generale sia nello 
specifico in Silicio Solar terminando con questa parte tutto quella che è una spiegazione 
introduttiva che potrebbe sembrare molto lunga, ma che è necessaria perché qualunque 
persona che legga questo lavoro possa comprendere bene l‟intero progetto. 
Il quinto capitolo può essere definito un po‟ come il cuore dell'intera tesi perché contiene una 
descrizione completa, dettagliata e precisa dell'applicazione sviluppata nel linguaggio di 
programmazione Delphi che è quello utilizzato dall'impresa dove ho fatto la pratica e questo 
lavoro di fine carriera universitaria. Saranno riportate numerose schermate analoghe a quelle 
che può vedere un utente che utilizzi l'applicazione client/server in funzionamento. Inoltre 
s‟inserisce anche parte del codice, relativo per esempio a uno scambio di messaggi tra il client 
e il server, o con il PLC, o col database, affinché si comprenda il perché di un determinato 
comportamento; per tutte queste ragioni questo capitolo è uno dei più importanti dell‟intero 
progetto. 
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Capitolo 1: Descrizione generale della fabbrica 
 
1.1 Chi è Silicio Solar? 
Silicio Solar è una fabbrica che produce placche di silicio per celle fotovoltaiche ed è una 
delle più grandi al mondo per volume produttivo e per numeri di lavoratori. È parte, dal 2008, 
di una corporazione che fa riferimento a un'impresa con sede in Germania che è leader nel 
settore fotovoltaico. 
 
Figura 1 Descrizione della corporazione dove sta inserita Silicio Solar 
Nel 2005 iniziò la produzione di celle solari nello stesso posto dove ancora oggi si continua a 
produrre; nel 2007 si è deciso, dopo un'attenta analisi di differenti siti, di installare un nuovo 
impianto vicino a quella che è in funzione con l'obiettivo di aumentare il volume produttivo.  
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Figura 2 Installazione della fabbrica di Silicio Solar nella sua sede spagnola 
In queste immagini si possono vedere le dimensioni della fabbrica e basta pensare che solo la 
nuova installazione consta di 71987   .  È situata nel Poligono Industriale La Nava vicino 
Capitolo 1: Descrizione generale della fabbrica 
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alla città di Puertollano, che è un municipio della provincia di Ciutad Real che, vista 
l'importanza di questa installazione, normalmente si definisce come la "città dell'energia”. 
 
Figura 3 Posizione geografica di Silicio Solar 
In effetti, la sempre maggiore diffusione della tecnologia solare e la ricerca di sorgenti 
energetiche alternative al petrolio hanno fatto sì che oggi questa industria sia leader nel 
mondo in questo settore; possiamo vedere a tal proposito un recente studio dell'evoluzione del 
mercato fotovoltaico per i prossimi anni tratto da una fonte autorevole. 
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Figura 4 Prospettiva del mercato fotovoltaico nei primi anni del 2000 
Questo risultato non deve sorprenderci vista la sempre maggiore richiesta di energia nel 
mondo e la sempre minore disponibilità di petrolio che con le attuali richieste tenderà a 
esaurirsi, in un limitato periodo. In più tra le varie ragioni non devono essere omesse neanche 
le politiche dei vari governi dirette a favorire lo sviluppo di sorgenti energetiche alternative e 
pertanto, riguardo al caso specifico, l'installazione di pannelli fotovoltaici per la produzione di 
elettricità. 
Questi numeri servono solo per dare un'idea della dimensione di questa impresa e qual è la 
sua posizione nel mercato mondiale. 
1.2 Il processo produttivo di Silicio Solar 
Il processo produttivo di Silicio Solar comprende due tappe che sono la produzione di lingotti 
di silicio e la produzione di celle di silicio. Al principio si tratta chimicamente la materia 
prima di silicio e si analizzano le sue proprietà elettrofisiche prima di utilizzarla nella 
produzione. Il Silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre, 27,7% in 
peso, dopo l'ossigeno. Si presenta in forma amorfa e cristallizzata; all‟inizio è una polvere di 
colore scuro, più attiva della variante cristallina, che si presenta in ottagoni di colore azzurro 
grigiastro e lucentezza metallica. 
Capitolo 1: Descrizione generale della fabbrica 
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Figura 5 Il minerale di Silicio 
 
Figura 6 Processo di preparazione del silicio 
S‟introduce il silicio in un crogiolo con residui di boro, formando una massa fusa che 
raggiunge una temperatura di 1.440ºC. Si ha una barra in cima alla quale si situa un germe di 
silicio che fa si che cominci il processo di solidificazione mettendosi in contatto con la massa; 
si denomina questo come metodo di Czochralsky. 
 
Controllo e supervisione dell‟energia reattiva in un impianto di produzione 
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Figura 7 Meccanismo di produzione dei lingotti di silicio 
Nella foto sotto si possono vedere alcuni dei forni che sono situati nella fabbrica per produrre 
i lingotti di silicio, poi tagliati in modo opportuno per produrre celle. 
 
Figura 8 Forni elettrici della fabbrica 
Capitolo 1: Descrizione generale della fabbrica 
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Attraverso strumentazioni come seghe a disco e fili di taglio, si meccanizzano i lingotti, 
rimuovendo le parti superiori, inferiori e laterali del cilindro monocristallino per ottenere un 
blocco pseudo quadrato. Si ottengono quindi mattonelle regolari dal lingotto multi-cristallino, 
grazie a dei forni di ultima generazione con tecnologia DSS (Directional Solidification 
System Process) per ottenere lingotti poli-cristallini in forma di parallelepipedo. 
 
Figura 9 Forni speciali 
Qui il fosforo si va diffondendo sulla superficie che si vuole dopare e forma così l'unione P-N. 
Di seguito si dota la placca di una cappa antiriflettente per un maggiore utilizzo della 
radiazione solare, così come i contatti ohmici per connettere la cella fotovoltaica e, per 
terminare, si verificano e si misurano le caratteristiche spettrali della cellula solare fabbricata. 
Una volta ottenuto il cilindro di silicio monocristallino, si taglia poi in sottili “ostie”, di circa 
0,3 mm. La cappa superficiale si restaura dal taglio mediante bagni chimici e, poi, la cella 
s‟introduce in forni speciali che raggiungono temperature tra 800 e 1.000ºC in un‟atmosfera 
ricca in fosforo. 
Si riporta un'immagine che si riferisce al prodotto finale di questa impresa che produce 
lingotti e wafer di silicio che possono quindi essere installati in impianti fotovoltaici sia per la 
produzione di elettricità che di calore; in più si può aggiungere che le celle solari prodotte 
possono essere installate sia unite alla rete elettrica sia integrata negli edifici. 
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Figura 10 Cella fotovoltaica 
 
 
Figura 11 Tipica installazione fotovoltaica 
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Capitolo 2: Descrizione generale dello schema elettrico 
 
2.1 L’impianto di Silicio Solar prima della modifica  
L‟impianto di Silicio Solar di Puertollano (Ciutad Real), per la fabbricazione industriale di 
celle di silicio fotovoltaico, si alimenta con una tensione di 45 kV, attualmente dalla sub-
stazione prossima di Costanilla di Union Fenosa, situata a 1 km approssimativamente e 
collegata per mezzo di un cavo isolato alla sottostazione di 45 kV di Silicio Solar; l'Union 
Fenosa è uno dei più importanti fornitori di gas naturale del mondo. 
In effetti, come si può vedere dello schema elettrico dell'intera fabbrica riportato in figura 12, 
ci sono 6 generatori nella parte di generazione che sono alimentati esattamente per gas 
naturale e che sono necessari per l'alimentazione dell'installazione. 
Questa sottostazione dispone di un trasformatore con un rapporto di trasformazione 220kV/45 
kV di 132 MVA. Le necessità dell'impresa in un futuro immediato fanno si che nell‟impianto 
alimentato da questo trasformatore di 132 MVA, si sostituirà quest‟ultimo con uno che 
incrementerà la potenza di cortocircuito in 45 kV dell‟impianto a circa 900 MVA. 
Per comprendere meglio il problema si riporta uno schematico della fabbrica com‟era senza 
l‟introduzione delle batterie dei condensatori che, come vedremo, sono necessarie per il 
controllo dell'energia reattiva. 
La funzione dei condensatori è di immagazzinare energia quando il campo magnetico la cede 
e di cederla quando il campo magnetico la richiede. I condensatori funzionano pertanto come 
generatori locali dell'energia magnetica per il motore. Il beneficio è quindi la riduzione della 
potenza reattiva effettiva nella linea e, con essa, dell'intensità di corrente nella linea. Questo 
riduce le perdite per effetto joule, calore, nei conduttori aumentando il rendimento della linea 
e quindi quanto può guadagnare l'impresa vendendo l'elettricità, poiché riceve una 
remunerazione maggiore in seguito alla “bonifica” dell'energia prodotta. Ad ogni modo il 
problema dell'energia reattiva e i modi per variarla saranno affrontati nel prossimo capitolo in 
modo dettagliato.