Applicazioni di quadri di media tensione nei data center e progetti di energia rinnovabile

Due settori, una dipendenza comune

I data center e i progetti di energia rinnovabile sembrano avere poco in comune. Uno è un edificio climatizzato pieno di rack di server, dove l'output principale sono le informazioni digitali. L'altro è un'estesa installazione all'aperto esposta alle intemperie, dove la produzione primaria è l'energia elettrica immessa in una rete di trasmissione.

Sotto la superficie, tuttavia, condividono una dipendenza fondamentale: quadri di media tensione che funzionano perfettamente in condizioni operative che sarebbero state considerate insolite dieci anni fa. Entrambi i settori sono cresciuti a una velocità straordinaria. Entrambi devono affrontare una forte pressione sulle tempistiche dei progetti e sui costi di capitale. Ed entrambi stanno sempre più specificando apparecchiature prive di SF₆: data center guidati da impegni di sostenibilità aziendale, progetti di energia rinnovabile guidati dalla logica secondo cui la generazione pulita non dovrebbe dipendere da infrastrutture ad alto GWP.

Questo articolo esamina in dettaglio i requisiti dei quadri di media tensione di questi due settori. L'attenzione si concentra sulle esigenze tecniche che guidano la scelta delle apparecchiature, sulle configurazioni che si sono dimostrate efficaci e sui requisiti di documentazione e conformità che i team di approvvigionamento di entrambi i settori ora considerano obbligatori.

Parte prima: data center

L'architettura elettrica di un moderno data center

Un data center su vasta scala è fondamentalmente una struttura di conversione elettrica. L'energia arriva ad alta o media tensione dalla rete pubblica, scende attraverso molteplici fasi di trasformazione e infine raggiunge i rack dei server a bassa tensione con requisiti di affidabilità straordinari. Lo standard di settore per il tempo di attività (cinque nove, ovvero disponibilità del 99,999%) consente poco più di cinque minuti di inattività all'anno, inclusa tutta la manutenzione pianificata.

Quadri di media tensionesi trova nel punto di giunzione critico tra la fornitura di servizi pubblici e la rete di distribuzione interna del data center. In un'architettura tipica, gli alimentatori di rete da 10 kV a 36 kV entrano nella sottostazione in loco della struttura, dove i quadri di media tensione forniscono protezione dell'alimentatore in ingresso, protezione primaria del trasformatore e commutazione della sezione bus. A valle, ulteriori quadri di media tensione possono servire grandi impianti di refrigerazione, quadri di ingresso UPS e quadri di parallelo dei generatori per sistemi di alimentazione di backup.

I quadri di questa architettura devono soddisfare contemporaneamente diversi criteri rigorosi. Deve essere sufficientemente compatto da adattarsi all'ingombro dell'edificio, che è un immobile costoso. Deve essere sufficientemente affidabile da misurare gli interventi di manutenzione in ore per decennio anziché in ore per anno. Inoltre, deve essere in grado di integrarsi con il sistema di gestione dell'edificio del data center e con la piattaforma di monitoraggio energetico, fornendo dati in tempo reale sulla posizione degli interruttori, sugli eventi di protezione e sulle condizioni delle apparecchiature.

Perché gli interruttori automatici in vuoto sono standard

L'interruttore automatico in vuoto è diventato la scelta predefinita per la commutazione di media tensione nei data center per ragioni sia tecniche che operative.

Tecnicamente, un'ampolla sottovuoto estingue l'arco all'interno di un involucro ceramico sigillato dove non c'è nulla da bruciare, nulla da degradare e nulla da cui fuoriuscire. L'assenza di gas significa l'assenza di manutenzione relativa al gas. Per un operatore di data center con una struttura che può funzionare per quindici anni senza interruzioni importanti, qualsiasi apparecchiatura che richieda attenzione periodica rappresenta una responsabilità. Un interruttore in vuoto con comando di classe M2 valutato per 10.000 manovre meccaniche può funzionare per l'intera vita dell'impianto senza un solo intervento di manutenzione sull'ampolla stessa.

Dal punto di vista operativo, gli interruttori automatici in vuoto sono particolarmente adatti al profilo di carico di un data center. Il carico del data center è relativamente stabile (i server non si fermano e non si avviano come i motori industriali), il che significa che la resistenza elettrica dell'interruttore viene raramente messa alla prova da frequenti interruzioni per guasti. Il requisito operativo principale è la commutazione affidabile durante i trasferimenti pianificati tra le fonti di utilità e il generatore, che è meccanicamente impegnativo ma elettricamente semplice. Un meccanismo a molla ad accumulo di energia ben progettato può svolgere questa funzione in modo coerente per decenni.

La configurazione estraibile utilizzata nei quadri blindati come le serie KYN28 o KYN61 offre un altro vantaggio per i data center: un interruttore può essere estratto nella posizione di prova o isolata per l'ispezione senza diseccitare l'intero bus. In una struttura in cui i costi dei tempi di inattività possono superare i 100.000 dollari al minuto, questa caratteristica di manutenibilità da sola può giustificare le specifiche del quadro.

Il passaggio a SF₆-Free nel settore dei data center

Gli operatori dei data center sono diventati alcuni dei sostenitori più influenti dei quadri senza SF₆ e la loro motivazione non è principalmente la conformità normativa. Molti dei più grandi operatori, compresi i fornitori di cloud su vasta scala, si sono impegnati pubblicamente a raggiungere la neutralità delle emissioni di carbonio o l’azzeramento delle emissioni nette entro questo decennio. L’SF₆, con il suo potenziale di riscaldamento globale pari a 24.300 volte quello della CO₂, è in diretta contraddizione con tali impegni se è presente nell’infrastruttura elettrica di ogni nuova struttura.

Un singolo pannello RMU o GIS a media tensione contenente pochi chilogrammi di SF₆ non rappresenta, di per sé, una grande frazione dell'impronta di carbonio di un data center. Ma i grandi operatori costruiscono decine di impianti ogni anno, ciascuno contenente più quadri elettrici. L’inventario cumulativo di SF₆ in un portafoglio globale può essere misurato in tonnellate. I tassi di perdita sono bassi ma non pari a zero, e la durata atmosferica dell’SF₆ significa che ogni grammo emesso rimane nell’atmosfera per oltre tremila anni.

Questo è il motivo per cui le specifiche delle gare d'appalto per data center ora includono regolarmente "SF₆-free" come requisito obbligatorioquadri di media tensione. Il requisito sta emergendo non solo nei mercati europei, dove il regolamento UE sui gas fluorurati fornisce un quadro giuridico, ma anche in Nord America e nell’Asia-Pacifico. Per i produttori di quadri, il mercato dei data center è diventato un potente motore commerciale per lo sviluppo di prodotti senza SF₆, forse il più potente al di fuori del settore dei servizi di pubblica utilità.

COTENELE fornisce unità principali ad anello senza SF₆ da 24 kV e pannelli interruttori automatici in vuoto per progetti di data center, con isolamento dell'aria secca e certificazione di prova di tipo secondo IEC 62271-200. Il serbatoio in acciaio inossidabile sigillato a vita elimina il monitoraggio del gas, il rifornimento e il recupero a fine vita dalle procedure operative della struttura. Per un operatore di data center, ciò significa un sistema in meno da monitorare, un contratto di manutenzione in meno da gestire e un elemento in meno da spiegare in un audit ESG.

Parte seconda: progetti di energia rinnovabile

Reti di collettori di parchi eolici

Un parco eolico presenta un ambiente elettrico fondamentalmente diverso da un data center o da un impianto industriale. I singoli generatori di turbine eoliche, in genere con potenza nominale compresa tra 2 MW e 8 MW ciascuno, sono sparsi in un'area geografica che può estendersi per decine di chilometri quadrati. Ogni turbina genera a bassa tensione, in genere 690 V o 1000 V, e passa alla media tensione attraverso un trasformatore montato su pad alla base della torre. I cavi di media tensione, solitamente a 33 kV o 36 kV, corrono da ciascuna turbina a una sottostazione centrale di raccolta dove l'energia viene aggregata e intensificata nuovamente per la trasmissione.

Il quadro nella sottostazione del collettore deve gestire una combinazione di compiti che nessun'altra applicazione replica del tutto. Gli interruttori automatici che proteggono ciascun alimentatore del collettore sono sottoposti a frequenti operazioni di commutazione quando le turbine si avviano e si fermano in risposta alle condizioni del vento. Il contributo della corrente di guasto delle turbine eoliche basate su inverter è fondamentalmente diverso dalla corrente di guasto della macchina sincrona: di entità inferiore, con un decadimento più rapido e talvolta difficile per i relè di protezione convenzionali discriminare dalla corrente di carico normale. Inoltre, la sottostazione stessa si trova spesso in una località remota dove le visite di manutenzione sono costose, dipendenti dalle condizioni meteorologiche e talvolta impossibili per settimane durante i mesi invernali.

Gli interruttori automatici in vuoto sono particolarmente adatti a questo ambiente. L'elevata resistenza meccanica di un moderno VCB consente commutazioni frequenti senza degrado dei contatti. L'ampolla in vuoto è indifferente alla fonte della corrente di guasto che deve interrompere: che provenga da un generatore sincrono o da una risorsa basata su inverter, la fisica di estinzione dell'arco è la stessa. Inoltre, la struttura sigillata a vita di un moderno VCB significa che non c'è nulla che un tecnico di manutenzione possa ispezionare all'interno dell'interruttore, anche se potesse raggiungere il sito.

Sistemi solari fotovoltaici e di accumulo dell'energia

Gli impianti solari fotovoltaici su scala industriale condividono alcune caratteristiche con i parchi eolici – generazione basata su inverter, dispersione geografica, commutazione frequente al variare dell’irraggiamento – ma aggiungono le proprie complessità. Gli impianti solari funzionano tipicamente a una tensione inferiore rispetto ai parchi eolici: il sistema di raccolta della media tensione può essere 12 kV o 24 kV anziché 33 kV o 36 kV. Il lato CC dell'impianto, dai moduli attraverso i combiner box fino all'ingresso dell'inverter, funziona a tensioni fino a 1500 V CC e richiede un set completamente separato di apparecchiature di protezione e isolamento.

La crescente co-ubicazione dei sistemi di accumulo dell’energia delle batterie con la generazione solare aggiunge un ulteriore livello di requisiti per i quadri. Un sistema di accumulo dell’energia della batteria può caricarsi dalla rete o dal pannello solare e scaricarsi nuovamente nella rete secondo necessità, il che significa che il quadro di media tensione nel punto di interconnessione deve gestire il flusso di potenza bidirezionale. Le impostazioni di protezione devono tenere conto del contributo della corrente di guasto proveniente dagli inverter con batteria, che può essere sostanziale e in rapido aumento. E il lavoro di commutazione degli interruttori aumenta ulteriormente, con più cicli di carica-scarica al giorno che si aggiungono al conteggio delle operazioni meccaniche.

Il livello di conformità e documentazione

I progetti di energia rinnovabile, in particolare quelli sviluppati da produttori internazionali indipendenti di energia o finanziati da banche multilaterali di sviluppo, ora comportano requisiti di documentazione che competono con quelli delle gare d’appalto. Un pacchetto di quadri di media tensione per un parco eolico o un impianto solare richiederà in genere certificati di prova di tipo IEC per ogni interruttore automatico e RMU, rapporti di test di routine dalla fabbrica, una dichiarazione di conformità alle normative ambientali applicabili e un elenco di referenze che dimostri la consegna anticipata di apparecchiature simili.

Il motivo è semplice: il finanziamento del progetto. I finanziatori e gli investitori che forniscono capitale per progetti di energia rinnovabile conducono una due diligence tecnica su tutti i principali pacchetti di apparecchiature. Se il fornitore del quadro non è in grado di fornire la documentazione completa, il progetto potrebbe subire ritardi nel raggiungere la chiusura finanziaria. Questo è un rischio che gli sviluppatori prendono molto sul serio.

COTENELE fornisce quadri di media tensione per progetti di energia rinnovabile con un pacchetto di documentazione completo incluso come standard. I certificati di prova di tipo, i rapporti di prova di routine e le dichiarazioni di conformità vengono forniti in fase di gara, non dopo l'ordine. Per i progetti in Europa, ciò include la documentazione che dimostra la conformità al regolamento UE sui gas fluorurati. Per i progetti in altre regioni il pacchetto è adattato alle esigenze locali.

La sovrapposizione tecnologica: ciò di cui hanno bisogno entrambi i settori

Nonostante le loro differenze, i data center e i progetti di energia rinnovabile convergono su una serie comune di requisiti relativi ai quadri. Identificare questa sovrapposizione aiuta a spiegare perché determinate tecnologie e configurazioni sono diventate dominanti in entrambi i mercati.

Ingombro compatto. I data center valorizzano ogni metro quadrato di spazio bianco. Le sottostazioni di raccolta delle energie rinnovabili si trovano spesso su terreni con un'area disponibile limitata. Entrambi i settori specificano quadri che riducono al minimo l'ingombro fisico senza compromettere l'accesso per la manutenzione. Questo è uno dei motivi per cui i quadri estraibili rivestiti in metallo e le RMU senza SF₆ hanno guadagnato terreno: racchiudono funzionalità sostanziali in un involucro compatto.

Affidabilità senza manutenzione frequente. I data center non possono permettersi tempi di inattività. I parchi eolici non possono permettersi di inviare un tecnico ogni mese in una sottostazione remota. Gli interruttori automatici in vuoto con ampolle sigillate a vita e le RMU con serbatoi di gas sigillati soddisfano direttamente questo requisito.

Senza SF₆ come base. Per i data center, il fattore trainante sono gli impegni di sostenibilità aziendale. Per i progetti di energia rinnovabile, il driver è l’incongruenza dell’utilizzo di un gas ad alto GWP nelle infrastrutture esistenti per produrre energia pulita. Entrambi raggiungono gli stessi requisiti di specifica.

Integrazione digitale. I data center sono stati i primi ad adottare quadri intelligenti con comunicazione IEC 61850, spinti dalla necessità di integrare il monitoraggio elettrico nel sistema di gestione dell'edificio. I progetti di energia rinnovabile stanno seguendo rapidamente, spinti dalla necessità di monitoraggio remoto dei siti non presidiati. In entrambi i casi, i quadri in grado di segnalare le proprie condizioni, registrare le operazioni di commutazione e fornire un allarme tempestivo in caso di problemi in via di sviluppo riducono i costi e i rischi operativi.

Documentazione completa. Entrambi i settori sono dominati da acquirenti sofisticati – operatori di data center su larga scala, sviluppatori internazionali di energia rinnovabile, fondi infrastrutturali – che trattano la documentazione come un requisito fondamentale. Se la documentazione non è completa l'attrezzatura non viene presa in considerazione. Ciò favorisce i produttori che hanno investito in prove di tipo di terze parti e che mantengono sistemi di documentazione organizzati.

Selezione dei quadri per queste applicazioni: considerazioni pratiche

Per gli ingegneri di progetto e i team di procurement che lavorano in entrambi i settori, diverse considerazioni pratiche dovrebbero guidare la scelta del quadro.

Inizia con la tensione e il livello di guasto, ma non fermarti qui. La tensione nominale e il potere di interruzione in cortocircuito sono i criteri minimi di ingresso. Oltre a questi, valutare la resistenza meccanica, i requisiti di manutenzione per tutta la durata del progetto e la disponibilità del supporto del servizio locale.

Verificare il test del tipo per la configurazione specifica. Un produttore potrebbe aver sottoposto a prova di tipo un modulo standard ma non la combinazione specifica di moduli richiesta per il vostro schema unifilare. Confermare che sia stata testata la configurazione esatta o che il produttore possa fornire una giustificazione tecnica per estendere la copertura del test di tipo.

Chiedi informazioni sulla documentazione prima di effettuare l'ordine. Se un fornitore non è in grado di fornire certificati di prova di tipo, modelli di rapporti di prova di routine e una dichiarazione di conformità in fase di gara, è improbabile che li produca subito dopo l'ordine. I ritardi nella documentazione possono rallentare il finanziamento e la messa in servizio del progetto e il momento per scoprirli è prima dell'aggiudicazione del contratto.

Considera il costo totale del ciclo di vita, non solo il prezzo di acquisto. Per un data center con una durata di progettazione di 15 anni, il costo di una singola interruzione non pianificata sminuisce qualsiasi differenza nel prezzo di acquisto del quadro. Per un parco eolico con 50 turbine sparse su una catena montuosa, il costo di inviare un tecnico a ispezionare un martello fa impallidire il risparmio derivante dalla scelta di un prodotto con specifiche inferiori. Il quadro rappresenta una piccola frazione del costo totale di capitale del progetto, ma rappresenta una grande frazione delle apparecchiature che possono causare guasti catastrofici. Questo non è il posto giusto per ottimizzare per il prezzo iniziale più basso.

Conclusione

I data center e i progetti di energia rinnovabile rappresentano due dei segmenti in più rapida crescita del mercato globale dei quadri di media tensione. Sono anche i segmenti in cui la transizione verso apparecchiature sostenibili, integrate digitalmente e prive di SF₆ sta avanzando più rapidamente.

Le tecnologie dei quadri che servono bene questi mercati (interruzione del vuoto, aria secca e isolamento solido, configurazioni estraibili con elevata resistenza meccanica, monitoraggio delle condizioni integrato con comunicazione IEC 61850) sono le stesse tecnologie che definiranno il settore più ampio dei quadri nel prossimo decennio. Le lezioni apprese nei data center e nelle applicazioni di energia rinnovabile stanno plasmando lo sviluppo dei prodotti in tutti i segmenti di mercato.

Per COTENELE, servire questi settori significa fornire RMU da 24 kV SF₆-free e pannelli interruttori in vuoto omologati, completi di documentazione e prodotti in serie. Significa comprendere che un team di approvvigionamento di un data center e uno sviluppatore di un parco eolico parlano linguaggi tecnici diversi ma hanno lo stesso requisito di fondo: apparecchiature che funzionino in modo affidabile per decenni, con un intervento minimo e senza alcuna responsabilità ambientale. La nostra gamma di prodotti e i nostri sistemi di documentazione sono costruiti di conseguenza.

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COTENELE fornisce interruttori automatici sotto vuoto da 12 kV a 40,5 kV, unità principali ad anello senza SF₆ e quadri elettrici completi per data center, energie rinnovabili, servizi pubblici e applicazioni industriali. Tutti i prodotti sono testati secondo gli standard IEC applicabili con la documentazione completa fornita in fase di gara.

A proposito di COTENELE

COTENELE è un produttore specializzato di quadri di media tensione, compresi quadri isolati in gas ecologici senza SF₆, interruttori automatici in vuoto, unità principali ad anello e pannelli rivestiti in metallo per applicazioni da 12 kV a 40,5 kV. I nostri prodotti servono operatori di data center, sviluppatori di energia rinnovabile, servizi di pubblica utilità e acquirenti industriali in Europa, Asia e Medio Oriente. Ogni prodotto è testato secondo gli standard IEC applicabili, con la documentazione completa fornita per la presentazione delle offerte e la consegna del progetto.