Trasformatori per centrali geotermiche: specifiche per corrosione da H2S, carico continuo e siti remoti

Un operatore geotermico nella Rift Valley ci ha inviato un gruppo elevatore da 12 MVA per ispezione dopo diciotto mesi di servizio. Nulla aveva subito guasti elettrici. Ciò che era andato distrutto era la vernice: il rivestimento del serbatoio era bolloso fino all’acciaio nudo lungo il banco dei radiatori, i bulloni in rame delle bussole erano diventati verdi-neri e il gel di silice nell’essiccatore si era scurito entro poche settimane dal collaudo. Il responsabile era l’idrogeno solforato, lo stesso gas che rende conveniente perforare un giacimento geotermico e che attacca ogni elemento fissato ad esso.

L'unità è stata correttamente dimensionata. Non è stata specificata correttamente. Questa differenza determina se un trasformatore per impianto geotermico garantisce venticinque anni di servizio a carico di base oppure viene rimosso già alla prima grave interruzione.

 

 

Perché la geotermia rappresenta un servizio più gravoso rispetto al solare o all'eolico

Il Dipartimento dell'energia statunitense descrive la geotermia come energia a carico di base con un fattore di capacità fattore di capacità pari a circa il 90%, il che significa che un impianto geotermico funziona quasi ininterrottamente alla potenza massima, bilanciando risorse intermittenti come l'eolico e il solare. Questo singolo valore ridefinisce il profilo di carico del trasformatore. È possibile leggere la descrizione completa sul sito dell' Ufficio geotermico del DOE .

Un trasformatore non invecchia a causa del carico di picco. Invecchia invece a causa del tempo trascorso a temperatura elevata. Un'unità installata in un parco solare subisce un intenso carico nel pomeriggio e una lunga notte fresca per recuperare. Un'unità geotermica non beneficia mai di questo periodo di recupero. Rimane costantemente vicina al carico nominale durante la notte, nei fine settimana e per tutta la vita operativa dell'impianto.

La tabella seguente mostra perché la stessa potenza nominale in kVA corrisponde a tre diverse specifiche:

Tipo di Pianta	Fattore di capacità	Andamento del carico del trasformatore	Sforzo dominante
Pv solare	20% - 25%	Rampa giornaliera, fermo notturno	Cicli termici, armoniche provenienti dagli inverter
Vento	30% - 45%	Intermittente, altamente variabile	Ciclico, armoniche generate dal carico
Geotermica	circa il 90%	Carico prossimo alla potenza nominale, 24/7	Punto caldo sostenuto nel avvolgimento, corrosione da H2S, accesso a siti remoti

 

H2S: La modalità di guasto che raramente compare sul foglio delle specifiche

Il solfuro di idrogeno è presente nel vapore geotermico e nella salamoia a concentrazioni che vanno da poche parti per milione a diverse centinaia. Non rappresenta un rischio d’incendio a tali livelli, ed è proprio per questo che viene ignorato nelle fasi di approvvigionamento. Ciò che invece è, è un “ladro di metalli”. Corrosione da H2S attacca rame e argento in via preferenziale, formando film di solfuro che aumentano la resistenza di contatto su ogni giunzione bullonata o placcata lungo il percorso della corrente.

Nella pratica, ciò significa spinotti per isolatori, contatti del commutatore a prese, terminazioni dei cavi di controllo e qualsiasi connessione placcata in argento all’interno della scatola di derivazione. Abbiamo ispezionato unità geotermiche in cui l’isolamento degli avvolgimenti risultava perfetto, ma i contatti del commutatore a prese erano la causa dell’uscita dall’esercizio dell’unità. La soluzione consiste nella selezione dei materiali: evitare completamente la placcatura in argento negli ordini per applicazioni geotermiche, sostituire le superfici di contatto con rame stagnato o nichelato, e sigillare l’armadio di controllo con una guarnizione anziché con una griglia di ventilazione.

Anche il sistema di conservazione dell’olio è altrettanto importante. Un conservatore a respirazione libera aspira ogni giorno aria contenente H2S nell’olio, quando lo spazio sopra il livello dell’olio nel serbatoio si contrae. Per applicazioni geotermiche specifichiamo un respiratore stagnato con essiccatore d’aria oppure una soluzione completamente ermetica, trasformatore a immersione in olio dove la classe di potenza lo consente. Questa singola scelta protegge contemporaneamente l’olio, l’isolamento e i contatti del commutatore sotto carico.

 

Dimensionamento del trasformatore per centrale geotermica con fattore di capacità pari al 90%

Eseguire i calcoli prima di scegliere la potenza nominale. Con un fattore di capacità del 90% fattore di capacità , un’unità geotermica accumula circa 7.880 ore di funzionamento sotto carico all’anno. Un impianto solare con fattore di capacità del 25% ne accumula circa 2.190. Il trasformatore geotermico trascorre quindi, ogni anno, quasi tre volte e mezza più ore a temperatura operativa, e l’invecchiamento termico è cumulativo.

Questa è la ragione per cui indichiamo un incremento di temperatura del avvolgimento di 55 K per applicazioni geotermiche, anziché l’incremento standard di 65 K previsto dalla maggior parte delle specifiche per trasformatori di distribuzione. Un incremento progettuale inferiore comporta una temperatura del punto caldo più bassa, e una temperatura del punto caldo più bassa estende la vita dell’isolamento. Il compromesso è reale: ci si deve attendere un nucleo più grande, una superficie radiante maggiore e un serbatoio più pesante per la stessa potenza in kVA.

I trasformatori di innalzamento per generatori negli impianti a vapore istantaneo (flash) e binari (binary) elevano tipicamente la tensione del generatore, compresa tra 4,16 kV e 13,8 kV, fino a una tensione di raccolta di 34,5 kV oppure fino a una connessione di trasmissione a 69 kV o 138 kV. Dimensionare l’unità sulla base della potenza in MVA del generatore più il carico parassita dell’impianto — torri di raffreddamento, pompe per acqua di circolazione, sistemi di vuoto ed estrazione gas — quindi verificare la potenza nominale confrontandola con il profilo di carico piuttosto che con un singolo valore riportato sulla targhetta. Se l’impianto prevede di funzionare al di sopra della potenza nominale durante i periodi ricchi di vapore, richiedere che la capacità di sovraccarico sia documentata secondo la guida IEEE C57.91 per il caricamento, anziché assumerla.

 

Raffreddamento, rivestimento e specifica del sistema di verniciatura

I siti geotermici si trovano spesso in prossimità della costa o in zone vulcaniche, quindi due fattori di corrosione agiscono contemporaneamente: solfuro di idrogeno proveniente dal lato del processo e aria ricca di cloruri proveniente dall’ambiente marino. Il sistema di rivestimento è un elemento specificato nel capitolato, non un dettaglio finale. Indicare esplicitamente la categoria di aggressività corrosiva nella richiesta di offerta e vincolare il fornitore a tale specifica. Il Classificazione ISO 12944-2 degli ambienti definisce le categorie C1-CX ed è il linguaggio comune su cui possono basarsi sia gli acquirenti che i produttori; la categoria C5-M copre invece l’esposizione costiera e marina.

Per un ordine geotermico costiero proponiamo un sistema di rivestimento composto da primer epossidico, mano intermedia epossidica e finitura poliuretanica, con uno spessore totale del film secco di circa 320 micrometri, applicato su substrato zincato a caldo o sabbiato. Le alette dei radiatori richiedono un trattamento separato: in un impianto geotermico esse accumulano sia polvere che solfuri, e un rivestimento sottile, accettabile nell’entroterra, potrebbe essere completamente consumato già dopo due stagioni. Specificare esplicitamente la protezione anticorrosiva per le alette.

Anche il sistema di raffreddamento richiede un'ulteriore valutazione. Un'unità che funziona quasi a carico nominale 24 ore su 24 in un ambiente con temperatura compresa tra 40 e 50 °C non dispone di alcun margine di sicurezza. Verificare la temperatura calcolata del punto più caldo dell'avvolgimento in corrispondenza della temperatura ambiente effettiva sul sito, anziché a 30 °C, e assicurarsi che le fasi di raffreddamento assistito da ventola siano specificate con alimentazioni elettriche indipendenti, affinché un guasto nel circuito di controllo non comprometta la seconda fase di raffreddamento.

 

Altitudine, zone sismiche e trasporto dell'unità sul sito

Molti dei principali giacimenti geotermici mondiali si trovano ad altitudini superiori a 1.000 metri: il complesso di Olkaria in Kenya, alcune regioni dell'Indonesia e gran parte della Rift Valley orientale africana. Sia la tenuta dielettrica dell'isolamento sia le prestazioni di raffreddamento diminuiscono con l'aumentare dell'altitudine; pertanto, un'unità specificata per il livello del mare non è equivalente alla stessa unità installata a 2.000 metri. Devono essere applicati fattori di declassamento sia al livello di isolamento sia al calcolo del raffreddamento, e tale calcolo deve essere riportato esplicitamente nel rapporto di prova, anziché essere semplicemente dichiarato come affermazione.

La progettazione antisismica è il secondo vincolo geografico. I campi della Rift Valley, dell’Islanda, dell’Indonesia e della California si trovano tutti in zone sismiche attive, e il trasformatore è l’elemento più pesante nella stazione di trasformazione. Ciò implica la progettazione degli ancoraggi, la resistenza della piastra di base e, nei progetti per le utility, la qualifica antisismica secondo lo standard IEEE 693. Un telaio saldato generico non costituisce una progettazione antisismica.

Segue poi la logistica, che sorprende gli acquirenti più spesso di qualsiasi parametro elettrico. I campi geotermici sono generalmente raggiungibili solo tramite lunghe strade di accesso mal asfaltate, con limiti di peso rigorosi per asse. Spedire un’unità completamente assemblata da 40 tonnellate a un campo remoto può risultare impossibile. La soluzione pratica consiste in una progettazione che viaggia in parti distinte: serbatoio spedito senza olio, radiatori imballati separatamente in casse, isolatori in appositi contenitori e sequenza documentata di montaggio in cantiere, con indicazione dei valori di coppia. Il nostro range di trasformatori immersi in olio viene regolarmente fornito in questa configurazione per progetti di generazione remota.

 

 

Come Ryan Electric Prepara un’Unità per l’Impiego Geotermico

Ogni ordine geotermico viene eseguito secondo un elenco di specifiche diverso rispetto a quello previsto per un’unità standard di distribuzione. Le sostituzioni di materiali vengono annotate nella distinta base, in modo che l’acquirente possa verificarle: contatti non placcati in argento, conservazione dell’olio in ambiente sigillato, rivestimento C5-M, derating per altitudine verificato, ancoraggio antisismico documentato. Il rapporto di prova standard riporta quindi i dati di resistenza a freddo e di rapporto necessari per la messa in servizio, misurati in corrispondenza delle effettive posizioni del tap fornite.

Costruiamo in un impianto di 120.000 metri quadrati dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per la produzione e i test e di 37 brevetti; possediamo inoltre le certificazioni UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE. Dal 2023 Ryan Electric opera come partner ufficiale di joint venture di Eaton, relazione che ha reso più rigorosi gli standard documentali cui ci atteniamo. Le unità che inviamo a siti ad alta corrosività, ad alta quota e remoti sono basate sulla stessa piattaforma che realizziamo per clienti del settore data centre, utility e mining, specificata in base alle effettive condizioni del sito.

 

Cosa inserire in una richiesta di preventivo (RFQ) per trasformatori geotermici

La maggior parte delle RFQ geotermiche che riceviamo indica soltanto tensione, potenza nominale e impedenza, fermandosi a questi tre elementi. Tuttavia, tali dati non descrivono adeguatamente le esigenze operative geotermiche. Aggiungendo questi sette parametri, il preventivo ricevuto sarà confrontabile tra diversi fornitori:

Concentrazione di H2S. Valore misurato in ppm nel vapore o nella salamoia, nonché indicazione se il sito si trova in prossimità della costa.

Temperatura ambiente e altitudine del sito. Temperatura ambiente massima di progetto in °C e altitudine sul livello del mare.

Categoria di corrosività e sistema di rivestimento. Categoria ISO 12944-2 più spessore richiesto del film secco.

Profilo di carico e fattore di capacità. Ore annue previste di funzionamento sotto carico, non solo la potenza nominale in kVA.

Incremento di temperatura dell’avvolgimento e limite del punto caldo. Indicare l’incremento desiderato oppure chiedere al fornitore di giustificare il valore predefinito.

Requisito sismico. Se è richiesta la qualifica secondo IEEE 693 oppure se si applicano criteri specifici per l’ancoraggio in sito.

Limiti di trasporto. Peso massimo per singolo pezzo, vincoli stradali e se è previsto il montaggio in sito.

 

Prima di specificare la prossima unità geotermica

Inviaci i dati di campo — concentrazione di H2S, condizioni ambientali, altitudine, zona sismica e profilo di carico — e il nostro team di ingegneria ti fornirà un foglio di specifica che illustra le sostituzioni dei materiali, il calcolo del raffreddamento e il piano di trasporto. Preferiamo discutere del sistema di verniciatura su carta piuttosto che sostituire una batteria di radiatori sul campo.

Informazioni sull'Autore: Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), produttore di trasformatori in resina colata, immersi in olio e montati su basamento, che serve clienti del settore utility, data center, generazione rinnovabile e industriale dal 2007. Il team lavora quotidianamente con i requisiti IEEE C57 e IEC 60076 e supporta sviluppatori e appaltatori EPC durante la fase di specifica, i collaudi in fabbrica e l’attivazione in sito.