Sistemi in corrente continua (DC) per la razionalizzazione energetica. Studio di fattibilità per un sistema integrato di distribuzione DC ad uso residenziale (Microgrid House DC)

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Introduzione 
 
 
Lo studio di fattibilità è una tappa importante nella progettazione di un impianto o di una qualsiasi opera, 
ma costituisce solo l’ultimo di una serie di passi e di considerazioni preliminari che saranno oggetto, 
insieme allo studio stesso, della presente tesi. 
Tale studio è stato fatto suddividendo l’intera distribuzione di BT, in una distribuzione principale comune 
(DPC), con origine dal trasformatore di cabina del complesso residenziale fino al punto di consegna 
dell’edificio, ed in una distribuzione secondaria locale (DSL), che prevede l’utilizzo di un trasformatore 
locale (TL) per utente o gruppo di utenti, il quale a sua volta alimenterà i singoli circuiti residenziali. 
Per i singoli circuiti d’utente è stato valutato l’impatto energetico ed economico risultante dall’adozione di 
un sistema in corrente continua ad uso residenziale (microgrid house DC), attraverso l’utilizzo di un 
convertitore AC/DC posto in partenza(con una potenza di 1kW), in parallelo alla rete in corrente alternata 
(AC) già esistente. 
Di fondamentale importanza è stata l’analisi dei carichi (Capitolo 3), la quale mostra un utilizzo sempre più 
frequente di  utilizzatori con uno stadio di conversione AC/DC , per la  possibilità di regolare con continuità 
la potenza utilizzata ottenendo rendimenti più elevati e funzioni più sofisticate. A tali convertitori sono 
associate delle perdite sia per funzionamento normale che in modalità standby, che potrebbero essere 
salvate da un sistema in corrente continua (stimato circa il 20%). Inoltre si è visto che il reale risparmio 
energetico si avrebbe solo passando da tecnologie tradizionali a tecnologie DC compatibili, stime autorevoli 
indicano un risparmio del 33% per l’utilizzo di tali utilizzatori. Nel dettaglio è stato valutato il possibile livello 
di tensione per alimentare i carichi di “bassa potenza” (imposto a 48 VDC), e il dimensionamento con 
lunghezze e sezioni raggiungibili con tale sistema, per varie tipologie di unità residenziali, rispettando le 
nuove prescrizione della norma CEI 64-08 in ambito residenziale (Capitolo 4) .  
 
Infine nel Capitolo 5 è stato introdotto l’utilizzo del trasformatore locale (TL) con avvolgimento secondario 
di tipo speciale con punto centrale accessibile, permettendo così di conseguire vantaggi per la sicurezza, 
(sistema ad isola TN o IT), le protezioni e la qualità dell’alimentazione.  
Inoltre sono state proposte soluzioni di ottimizzazione sia sulla tipologia del  trasformatore locale TL, con 
una relazione dettagliata della possibile scelta da seguire (collaborazione con FAT trasformatori), sia 
intervenendo sul livello di tensione da adottare per la distribuzione principale fino al valore limite IEC di 
bassa tensione pari a 1 kV, attraverso l’ utilizzo di un trasformatore a tre avvolgimenti di cabina (periodo di 
permanenza alla TESAR trasformatori). 
L'adozione del sistema ad isola di tutte le utenze BT di un edificio o di un'area costituisce una innovazione 
nell'ambito della distribuzione nelle utenze residenziali, terziarie e commerciali che, unita alla possibilità di 
un'associazione di tutte le utenze stesse, comporta una interessante evoluzione per la distribuzione di esse.
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CAP 1 Possibilità di una evoluzione del sistema AC in un sistema DC 
 
1.1) Introduzione 
 
Con il presente lavoro di tesi ho voluto valutare i potenziali benefici che potrebbe portare l’introduzione di 
un sistema di distribuzione in corrente continua(DC) per uso residenziale, sotto il profilo dell’efficienza 
energetica per la rete, e per gli utilizzatori facenti parte.  
Tutto questo partendo dalla semplice osservazione che negli edifici attuali, la maggior parte degli 
utilizzatori sono alimentati in AC e poi convertiti in DC come: notebook e mini-tower personal computer, 
stampanti, telefoni cellulari, TV via cavo set-top box, router wireless, illuminazione a LED, lettori DVD,carica 
batteria, lampade a fluorescenza con ballast elettronci ecc. Possiamo sicuramente dire che la “DC è il 
sangue dell’ elettronica." 
 
Le conversioni AC/DC all'interno di questi dispositivi rappresentano le perdite di potenza in funzionamento 
normale, nonché le perdite quando non sono in uso (perdite in standby). 
Gli alimentatori utilizzati oggi in edifici commerciali e centri dati ,che convertono l’alta tensione AC in bassa 
tensione DC ,hanno tipicamente una efficienza energetica di circa il 65% - 75%, il che significa che il 25 al 
35% di tutte le energia consumata viene perduta. Circa la metà delle perdite sono dovute alle conversioni 
AC/DC, mentre il resto è dovuto alle conversioni continue DC/DC. Quindi semplicemente sbarazzandosi 
delle perdite AC/DC si potrebbero ridurre le perdite di energia di circa un 10-20%.  
Allo stesso modo, un numero sempre più crescente di utilizzatori portatili come telefoni cellulari e personal 
digital assistant (PDA) richiedono un adattatore AC-DC, il quale anch’ esso è causa di perdite di conversione. 
Quindi considerando tutto il quadro esistente, tutte le conversioni AC/DC necessarie per i dispositivi 
elettronici costituisco una enorme perdita di energia. 
 
 
 
Fig 1.1 Confronto tra i due tipi di distribuzione con relative perdite.
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Un ulteriore aspetto a favore dell’adozione di un sistema distributivo in DC, è la generazione distribuita 
(GD), infatti i convertitori d’interfaccia dei generatori distribuiti con la rete elettrica sono molto spesso 
caratterizzati da un’uscita in DC come nelle celle a combustibile e nei pannelli fotovoltaici, ed altri dispostivi 
come microturbine e turbine eoliche possono anche essere adatti per DC. 
Quindi l’utilizzo del fotovoltaico maggiormente utilizzato oggi, consentirebbe di eliminare sia le perdite 
relative agli inverter, e le perdite dei convertitori AC/DC degli utilizzatori, migliorando così l’efficienza e 
l'affidabilità del sistema ed ovviamente il rapporto costo-benefici. 
Per esempio, soluzioni EPRI (Electric Power Research Institute) hanno stimato che il costo totale per un 
ciclo di vita per produzione da energia fotovoltaica per alcune applicazioni DC ,potrebbe essere ridotto di 
oltre il 25% rispetto all'utilizzo di un sistema DC/AC , avendo scelto accuratamente gli utilizzatori finali.  
I costi della nuova generazione distribuita, quali pannelli fotovoltaici sono ancora alti, quindi 'ottimizzazione 
dei progetti con una distribuzione in DC potrebbe contribuire a stimolare l'adozione e la gestione efficiente 
di essa. 
 
 
 
Fig 1.2 Confronto tra i due tipi di distribuzione da fonti rinnovabili (PV)  con relative perdite 
 
 
Da più parti infatti sta emergendo sempre più un certo interesse per l’introduzione di reti di distribuzione in 
corrente continua in sostituzione di quelle oggi largamente diffuse in corrente alternata.  
Finora la distribuzione in corrente continua ha trovato largo impiego esclusivamente in applicazioni 
particolari di grande potenza,come la trasmissione dell’energia elettrica su lunghe distanze (HDVC), in cavi 
sottomarini o in grossi azionamenti a velocità variabile, nella trazione elettrica ed in applicazione dove è 
richiesta una elevata continuità, come per gli impianti di emergenza e per sistemi di telecomunicazioni (vedi 
capitolo 2).
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Viceversa, nelle applicazioni tradizionali ha finora prevalso l’uso della corrente alternata (AC), soprattutto 
per la disponibilità del trasformatore, che permette la trasmissione e la distribuzione su più livelli di 
tensione,a seconda delle esigenze, e del motore asincrono largamente diffuso nelle applicazioni a velocità 
fissa. Se da un lato il motore asincrono è indubbiamente caratterizzato da una buona economicità ed 
affidabilità, dall’altro ha sempre sofferto il fatto di operare a frequenza e tensioni fisse, non consentendo 
regolazioni di velocità a meno di non ricorrere a soluzioni complesse, spesso penalizzanti sotto il profilo 
energetico. 
 
L’avvento dell’elettronica di potenza però sta radicalmente cambiando  gli scenari relativi alla trasmissione, 
distribuzione ed utilizzazione dell’energia elettrica: è in particolare possibile realizzare convertitori 
elettronici affidabili ed economici con tensione e frequenza di uscita variabili, adattabili alle esigenze delle 
specifiche applicazioni, che permettono di svincolare completamente tensione, frequenza e numero di fasi 
della rete di distribuzione da quelle dell’utenza. 
E’ facile constatare come oggi giorno, una quota parte sempre più consistente di energia elettrica subisca 
almeno una “conversione elettronica” prima del suo uso finale. La cosa appare molto evidente analizzando 
il principio di funzionamento di gran parte delle apparecchiature domestiche o similari che, anche se 
alimentate in alternata dalle attuali reti di distribuzione, funzionano di fatto in corrente continua e quindi 
potrebbero trarre beneficio, sia sotto il profilo costruttivo che sotto quello energetico, dalla disponibilità di 
una sorgente di alimentazione in corrente continua in sostituzione di quella in alternata. 
Una frazione crescente del carico residenziale e commerciale è sempre più in DC, si stima che il 33% del 
consumo elettrico residenziale potrebbe essere salvato convertendo tutti gli elettrodomestici in 
elettrodomestici ad alta efficienza. Un sistema di distribuzione in DC potrebbe offrire ulteriori risparmi, 
eliminando cosi le perdite derivanti le conversioni AC/DC , che costituiscono in media il 15% dei carichi in 
AC. Si noti tuttavia che se l'alimentazione della rete backup è utilizzata per alimentare carichi in DC, le 
perdite di conversione AC/DC si riducono a risparmi netti al di sotto del 15%. 
 
Considerazioni del tutto analoghe si possono ripetere per gli elementi di accumulo che troverebbero un 
deciso giovamento da un accoppiamento con reti in continua. In particolare, l’adozione della GD unita 
all’impiego di sistemi di accumulo, come batterie e volani meccanici attualmente presenti nei dispositivi per 
la qualità del servizio quali UPS o più in generale Custom Power, potrebbe inoltre consentire anche il 
vantaggio di migliorare la qualità del servizio riducendo la frequenza e la durata di buchi ed interruzioni di 
tensione. E’ questo un aspetto che oggi giorno va acquistando sempre maggiore importanza, soprattutto 
per gli utenti in BT; infatti, nelle piccole industrie, nel terziario e anche nel residenziale sono sempre più 
presenti carichi sensibili ai disturbi di rete, carichi che nel contempo, tendono loro stessi a peggiorare la 
qualità della fornitura.
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Inoltre, per quanto riguarda scenari futuri, è non solo ipotizzabile, ma anche auspicabile la diffusione del 
veicolo elettrico che per ora non ha ancora conosciuto una sufficiente diffusione.  
Il diffondersi di questa nuova tipologia di utenza elettrica comporterebbe indubbiamente un impatto non 
indifferente sulle infrastrutture di rete dedicate alla ricarica degli elementi di accumulo alloggiati sui veicoli: 
ovviamente anche per tale utenza, un sistema distributivo in continua consentirebbe una semplificazione 
degli apparati di conversione destinati all’alimentazione delle batterie con indubbi miglioramenti sotto il 
profilo dell’efficienza energetica complessiva. Un ulteriore elemento di interesse per l’adozione di una rete 
utente in corrente continua (DC) è infine costituito dalla potenza trasmissibile: infatti a parità di 
caratteristiche dei conduttori impiegati (sezione e livello di isolamento) la potenza trasmissibile in continua 
è superiore rispetto a quella trasmissibile in alternata. 
Un certo numero ricerche ritengono che un sistema di distribuzione in DC sia molto appetibile per le micro-
grid. Infatti con una distribuzione in DC, si possono rapidamente interrompere guasti, ed avere una 
maggiore affidabilità e qualità dell'energia. Se legato al sistema di trasmissione AC, un sistema di 
distribuzione DC per micro-grid rende facilmente evitabile una sovrapproduzione e un contributo al guasto 
(con l'uso di un raddrizzatore che consente un solo flusso di energia).  
 
Quindi l’ interesse di un sistema DC è motivato da una combinazione di fattori quali: 
 Risparmio energetico  

 Aumento molto rapido nel residenziale del fotovoltaico (PV) 

 La rapida espansione dell’ attuale e futuro sviluppo di prodotti ad alta efficienza energetica, i quali 
utilizzano internamente alimentazioni in DC 

 Accumulo dell’energia elettrica 

 Ricarica veicoli elettrici 

 Miglioramento dell’integrazione ,funzionamento e prestazioni delle micro-grid 
 
Naturalmente, mentre i circuiti DC sono ampiamente utilizzati nei dispositivi e negli utilizzatori di consumo, 
non vale lo stesso per quanto riguarda i sistemi di distribuzione DC, quindi ciò rappresenta uno degli 
ostacoli per qualsiasi nuovo progetto elettrico o tecnologia deve superare. Molti dispositivi e apparecchi 
operano internamente in DC, in gran parte perché la DC può essere regolata con precisione per dispositivi 
particolarmente sensibili. Un numero sempre crescente di dispositivi funzionano in DC, compresi i 
computer, ballast per l’ illuminazione, televisori e set top box. Inoltre, se i motori per il riscaldamento, la 
ventilazione e l’aria condizionata (HVAC) sono gestiti da azionamenti a frequenza variabile (VFD),i quali 
hanno internamento un bus in DC, anche essi potrebbero funzionare in DC. Numerosi dispositivi portatili 
come telefoni cellulari e PDA richiedono anche un adattatore AC-DC. Come discusso sopra, secondo alcune 
stime le conversioni AC/DC costituiscono circa il 20% della potenza totale consumata.
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In sintesi, queste brevi note introduttive pongono in evidenza come l’adozione di una rete di distribuzione 
in continua potrebbe risultare vantaggiosa in molte applicazioni consentendo una semplificazione non solo 
dei convertitori di interfaccia tra generatori, elementi di accumulo e rete di distribuzione, ma anche di 
quelli presenti nelle utenze finali, consentendo nel contempo un uso più efficiente dell’energia elettrica. 
L’attività svolta è stata dedicata allo studio di fattibilità di un sistema di distribuzione in DC residenziale, in 
aggiunta al sistema tradizionale in corrente alternata da rete pubblica, in modo da realizzare 
un’infrastruttura ad elevato livello di continuità e qualità di energia, ma con l’idea futura di poter 
alimentare tutti gli utilizzatori in DC. 
Nel seguito vedremo il dimensionamento e le scelte effettuate per i circuiti in DC per le varie tipologie di 
unità abitative in  riferimento alle nuove indicazioni fornite dalla norma CEI 64-08 V3, ed inoltre rivedremo 
tutta la distribuzione BT introducendo l’utilizzo di un trasformatore locale (TL) ed un nuovo livello di 
tensione ad 1kV.
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1.2) Generalità 
 
“Per comprendere l’utilizzo della corrente continua è bene conoscerne le caratteristiche elettriche e le 
differenze rispetto alla corrente alternata. Per definizione la corrente elettrica denominata continua 
presenta un andamento unidirezionale costante nel tempo. 
Analizzando infatti il moto delle cariche in un punto attraversato da una corrente continua, la quantità di 
carica (Q) che percorre tale punto (o meglio sezione traversa) in ogni instante è sempre la stessa. 
Le fonti in grado di fornire corrente elettrica di tipo continuo sono le batterie o le dinamo; inoltre, tramite 
un processo di raddrizzamento, è possibile convertire una corrente di tipo alternato in una di tipo continuo. 
Tuttavia la corrente continua “pura” che non presenta nessuna fluttuazione periodica viene generata 
esclusivamente dalle batterie (o accumulatori);infatti, la corrente prodotta dalle dinamo può presentare 
delle piccole variazioni che non la rendono perfettamente costante nel tempo. 
Nonostante ciò agli effetti pratici la corrente generata dalla dinamo viene considerata comunque continua. 
 
Fig. 1.3 Quantità di carica che attraversa la sezione traversale di un conduttore 
 
In un sistema funzionante in DC assume particolare importanza rispettare il verso della corrente, quindi è 
necessario connettere correttamente i carichi rispettando le polarità poiché, se connessi erroneamente, 
potrebbero insorgere problemi di funzionamento o di sicurezza. 
Ad esempio se un motore in corrente continua fosse alimentato invertendo le polarità esso ruoterebbe al 
contrario e molti circuiti elettronici se alimentati erroneamente potrebbero subire danni anche irreversibili. 
Il parametro che accomuna la corrente alternata alla corrente continua è il valore efficace. 
Il valore efficace di una grandezza alternata rappresenta il valore di corrente in continua che produce i 
medesimi effetti termici nello stesso tempo; ad esempio una corrente continua di 100 A produce gli stessi 
effetti termici di una corrente alternata sinusoidale di valore massimo 141 A. Il valore efficace permette 
quindi di trattare la corrente alternata, dove il valore istantaneo varia nel tempo, come se fosse di tipo 
continuo.
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Il valore efficace (Ir.m.s) di una forma d’onda periodica sarà pari a: 
 
∫
=
T
s m r
dt t V
T
I
0
2
. . .
) (
1
 
 
 
Fig. 1.4 Forma d’onda periodica a 50Hz                                   
 
 
 
Il valore efficace di una forma d’onda perfettamente sinusoidale è pari a: 
 
2
max
. . .
I
I
s m r
= 
(dove Imax è valore massimo dell’ampiezza della forma d’onda sinusoidale) 
 
 
 
Fig 1.6 Forma d’onda periodica a 50Hz                           
 
 
“[A] 
 
 
Fig. 1.5 Valore efficace 
(valore della corrente dc equivalente) 
Fig. 1.5 Valore efficace 
(valore della corrente dc equivalente)