ITMI20120911A1 - Impianto ibrido di generazione elettrica alimentato da fonti di origine fossile/solare - Google Patents

Description

IMPIANTO IBRIDO DI GENERAZIONE ELETTRICA ALIMENTATO DA

FONTI DI ORIGINE FOSSILE/SOLARE

La presente invenzione si riferisce a un impianto per la produzione dell’energia elettrica mediante fonti di origine fossile in combinazione con fonti rinnovabili. La presente invenzione si riferisce inoltre ad un sistema di gestione delle suddette fonti energetiche. Nel campo della produzione dell’energia elettrica sono noti sistemi di produzione dell’elettricità da fonti di origine fossile, e sono altresì noti sistemi che sfruttano l’irradiazione solare per produrre energia elettrica.

In particolare nelle zone remote e isolate dalla comune rete di fornitura elettrica nazionale può essere indispensabile avere uno o più sistemi autonomi di produzione dell’energia elettrica.

Nel campo dell’esplorazione petrolifera, si verifica spesso che le zone di estrazione si trovano in aree remote e isolate dalle comuni reti di trasmissione dell’energia elettrica. Basti pensare agli impianti siti nel deserto o alle isole artificiali di estrazione petrolifera.

In queste tipologie di impianti petroliferi à ̈ comune utilizzare generatori elettrici basati su combustibili di origine fossile (gas, petrolio, carbone e rispettivi derivati) o generatori elettrici che sfruttano fonti rinnovabili come il sole ed il vento.

Comunemente i sistemi elettrici isolati sono alimentati da uno o più generatori di potenza elettrica intrinsecamente simili.

Generalmente si tratta di generatori diesel, in cui un sistema di controllo regola autonomamente la potenza attiva e reattiva da erogare in funzione delle diverse condizioni di carico dell’impianto.

In alternativa questi sistemi elettrici isolati possono essere alimentati con generatori alimentati con fonti rinnovabili, prevedendo uno o più banchi di batterie che vengono caricate quando la fonte rinnovabile à ̈ disponibile, mentre erogano quando la fonte rinnovabile à ̈ assente..

Gli impianti con sistemi di accumulo/batterie hanno dimensioni e costi rilevanti e allo stato della tecnica attuale devono essere frequentemente manutenuti e ciclicamente revisionati.

Queste attività sono tanto più frequenti quanto maggiori sono le variazioni termiche che questi dispositivi devono sopportate.

Nel settore petrolifero, capita spesso che il luogo di estrazione coincida con un luogo con avverse condizioni termiche (ad es. deserti) e sprovvisto di una rete elettrica centralizzata. In queste condizioni, la probabilità che si verifichino i suddetti inconvenienti aumenta e la facilità di approvvigionamento dei ricambi diminuisce.

Quando le utenze dell’impianto elettrico sono alimentate da banchi di batterie si hanno forti limitazioni nella potenza reattiva erogabile.

I problemi derivanti dall’utilizzo di batterie sono molteplici e di natura sia economica che ambientale. In particolare, i banchi batteria sono molto costosi e vanno sostituiti ogni 5-10 anni circa. Inoltre, per loro natura, trattandosi di elementi che contengono metalli pesanti, hanno un impatto ambientale notevole. Esistono altresì nello stato dell’arte soluzioni che consentono l’accoppiamento di più sistemi di generazione di potenza. Generalmente si tratta di sistemi di generazione della stessa tipologia, ad esempio solo turbine a gas o solo generatori diesel. Esistono altresì impianti che abbinano più sistemi di generazione differenti, ma solo per condizioni di funzionamento transitorie, ad esempio condizioni di emergenza o distacco provvisorio dei carichi.

Gli impianti di tipo solare per loro natura sono dei generatori di corrente che producono solo potenza attiva. Questo aspetto può generare diversi inconvenienti quando l’utenza di carico dell’impianto à ̈ costituita principalmente da motori elettrici di grandi dimensioni.

I grandi motori assorbono una grande quantità di corrente durante il periodo di avviamento (sei volte di più rispetto al funzionamento in condizioni stazionarie). Quando questi sono collegati direttamente ad una linea elettrica, la grande quantità di corrente richiesta comporta una considerevole caduta di tensione, riducendo la coppia iniziale ed aumentando il tempo di avviamento.

Questo elevato quantitativo di potenza viene utilizzato principalmente per vincere gli elevati attriti interni in fase di avviamento e generalmente à ̈ caratterizzato da un assorbimento di potenza reattiva dalla rete.

Quindi, quando la rete à ̈ debole o à ̈ principalmente costituita da generatori di potenza attiva, come nel caso degli impianti solari, si può verificare l’inconveniente che i motori non si avviano.

Generatori di corrente continua come gli impianti solari o le batterie, risultano dunque inadatti a fornire in maniera tempestiva la potenza necessaria ad avviare una serie di medie e grandi macchine a motore elettrico.

Questo inconveniente si verifica soprattutto per motori di media e grande taglia, come quelli installati nei campi di estrazione petrolifera, di seguito denominati campi olio.

Lo stesso inconveniente si può verificare anche quando l’utenza à ̈ principalmente costituita da lampade a scarica, saldatrici elettriche a punti, o grandi impianti di climatizzazione.

Le lampade a scarica sono spesso impiegate nei campi olio perché generano un flusso luminoso estremamente elevato.

L’energia in surplus richiesta dai suddetti dispositivi in fase di avvio à ̈ normalmente fornita dalle normali reti di trasmissione elettrica, ma, quando si tratta di sistemi isolati, viene normalmente fornita da un alternatore che per sua natura genera sia potenza attiva che reattiva.

Una soluzione possibile, per poter utilizzare una fonte di origine rinnovabile, può essere quella di alimentare le utenze motore con un alternatore di piccola taglia messo in parallelo al sistema di generazione a fonte rinnovabile, e con questo generare la potenza reattiva necessaria ad avviare l’utenza e a definire il riferimento di frequenza.

Questa soluzione presenta l’inconveniente di dover introdurre un alternatore sull’impianto, rendendo la soluzione più costosa.

Un ulteriore inconveniente degli impianti solari tradizionali à ̈ rappresentato dal fatto che la potenza fornita risulta variabile nel tempo in funzione delle condizioni climatiche, rendendo pertanto difficile l’alimentazione di utenze in servizio continuo.

Questa esigenza à ̈ tipica degli impianti isolati, infatti, se l’energia prodotta viene immessa in una normale rete di trasmissione elettrica, l’impianto solare sarà svincolato dall’eventuale assorbimento della stessa dalla rete.

Negli impianti isolati, invece, l’energia elettrica prodotta dall’impianto solare può non essere completamente assorbita dall’utenza. È necessario dunque che questa possa essere regolabile in funzione delle condizioni di assorbimento delle utenze.

Infine, quando l’utenza à ̈ costituita prevalentemente da pompe a bilanciere, dette anche pompe a cavalletto, tipiche dei campi olio, può presentarsi un ulteriore inconveniente.

Quando queste pompe sono azionate da un motore elettrico, durante la fase di discesa del contrappeso del bilanciere, il motore elettrico della pompa si trasforma da motore a generatore di corrente, perché la spinta in caduta del contrappeso supera la coppia di forze di origine elettrica. Durante questa fase, il verso della corrente si inverte tornando verso l’impianto di generazione elettrica.

Nel caso in cui l’energia elettrica sia prodotta da un generatore elettrico basato su combustibili di origine fossile, ad esempio un generatore diesel, la corrente elettrica in ingresso può causare un contraccolpo all’albero del motore. Questo aspetto comporta cicli di manutenzione e/o riparazioni del generatore elettrico piuttosto frequenti.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati e, in particolare, quello di fornire un impianto per la generazione elettrica alimentato in maniera ibrida da fonti di origine fossile in assenza di sistemi di accumulo dell’energia prodotta.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un impianto di generazione elettrica che consenta la gestione ed il monitoraggio dei flussi di energia elettrica in qualunque condizione di lavoro (ad es. avviamento, carico costante, carico variabile, ecc.), e permetta la coesistenza di una generazione in corrente continua con un’altra in alternata.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un impianto di generazione elettrica che consenta una massimizzazione dell’energia elettrica prodotta dal generatore solare salvaguardando il generatore alimentato con combustile di origine fossile.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un sistema elettrico dotato di un impianto di generazione elettrica che consenta l’alimentazione di una pluralità di pompe a bilanciere evitando correnti anomale in ingresso al generatore.

Scopo ulteriore della presente invenzione à ̈ quello di fornire un impianto di generazione elettrica che minimizzi il consumo di fonti di origine fossile e le relative emissioni GHG in ambiente, e consenta cicli di manutenzione meno frequenti.

Scopo ulteriore della presente invenzione à ̈ quello di fornire un impianto in grado di regolarizzare il carico elettrico assorbito, evitando elevate variazioni dello stesso nel tempo, e permettendo di aumentare il numero di utenze collegabili al medesimo impianto di generazione.

Questi e altri scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando un impianto di generazione elettrica del tipo senza connessione a una rete elettrica per generare una corrente elettrica alternata destinata ad una pluralità di utenze comprendente un primo generatore alimentato con combustibile di origine fossile per generare una prima corrente elettrica alternata in servizio continuo; un secondo generatore fotovoltaico per generare una seconda corrente elettrica continua dalla conversione della radiazione solare comprendente una pluralità di inverter di tipo distribuito per invertire detta seconda corrente continua in alternata e regolare la stessa; un quadro elettrico di alimentazione del tipo power motor control center alimentato da dette prima e seconda corrente; un sistema di gestione dell’energia per regolare detto primo generatore in funzione della corrente elettrica generata da detto secondo generatore e delle richieste di carico di eventuali utenze elettriche; un resistore per evitare l’ingresso di correnti elettriche nel primo generatore potenzialmente pericolose allo stesso.

Ulteriori caratteristiche dell’impianto di generazione elettrica sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. Le caratteristiche e i vantaggi di un impianto di generazione elettrica di tipo ibrido alimentato da fonti di origine fossile e solare secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ una vista schematica di un sistema elettrico isolato dotato di un impianto di generazione elettrica;

- la figura 2 à ̈ un diagramma dell’energia prodotta e assorbita dal sistema elettrico isolato durante un giorno.

Con riferimento alla figura, viene mostrato un sistema elettrico 100, costituito da un impianto di generazione elettrica 110 di energia elettrica e da un’utenza elettrica 105.

Questo impianto di generazione elettrica 110 comprende principalmente un primo generatore 101 alimentato con combustibile di origine fossile per trasformare l’energia meccanica generata da un motore, preferibilmente un motore diesel in energia elettrica, e un secondo generatore 102 per trasformare l’irradiazione solare in energia elettrica.

In particolare il primo generatore 101 può essere un generatore diesel per erogare una prima corrente elettrica alternata avente preferibilmente una potenza massima di 200 kW.

Invece detto secondo generatore 102 può essere un generatore fotovoltaico composto da moduli solari in celle di silicio multicristallino per erogare una seconda corrente elettrica continua. Preferibilmente detti moduli solari possono avere una potenza massima di 220 Watt e un’efficienza del 13%.

Ad esempio, un secondo generatore 102 installato in un campo oli può avere un’estensione di 2.500 m<2>e arrivare ad erogare una potenza di picco di 110 kW.

Detto impianto di generazione elettrica 110 comprende un quadro elettrico di alimentazione 103 del tipo power motor control center (PMCC) che riceve detta prima e seconda corrente prodotte rispettivamente da detti primo e secondo generatore 101, 102, e risulta controllato e gestito da un sistema di gestione dell’energia 104, preferibilmente del tipo power management system (PMS).

Il sistema di gestione dell’energia 104 acquisisce i segnali analogici o digitali sia da possibili utenze elettriche che dal quadro elettrico di alimentazione 103, a cui risultano collegati i due generatori 101, 102, al fine di rilevare l’energia elettrica generara dal secondo generatore 102 e l’istantaneo fattibosgno delle utenze elettriche 105 in termini du carico richiesto.

Detto quadro elettrico di alimentazione 103 in combinazione con detto sistema di gestione dell’energia 104 consentono la gestione della fornitura dell’energia in funzione dei carichi richiesti dalle utenze elettriche 105 e della disponibilità di energia prodotta dal secondo generatore 102.

In particolare, detto sistema di gestione dell’energia 104 regola il primo generatore 101 in funzione della corrente elettrica generata dal secondo generatore 102 e delle richieste di carico provenienti dalle utenze elettriche 105, assicurando un'erogazione energetica stabile ed affidabile anche per utenze elettriche 105 che operano in ambienti ad alta richiesta energetica, con carichi elettrici ad elevato range di variabilità e potenzialmente pericolosi, come i motori delle pompe a bilanciere dei campi olio.

Questa soluzione aumenta l'efficienza elettrica ed evita condizioni di potenziale black-out in ogni tipo di situazione.

Detto sistema di gestione dell’energia 104 può interagire direttamente o tramite interfacce dedicate con il quadro elettrico di alimentazione 103, e può avere le seguenti funzionalità standard:

- controllo e gestione del primo generatore 101;

- controllo e gestione del secondo generatore 102;

- ripartizione di carico e trasferimento carichi tra i vari generatori;

- controllo della potenza reattiva;

- programma di avvio/arresto dei generatori 101, 102 a seconda del carico;

- sequenza di avvio del primo generatore 101;

- gestione della potenza disponibile con controllo graduato dei carichi.

Detto secondo generatore 102 di tipo fotovoltaico à ̈ provvisto di una pluralità di inverter 106 di tipo distribuito per invertire detta seconda corrente da continua ad alternata e regolare detta seconda corrente.

La produzione di energia elettrica da parte del secondo generatore 102 à ̈ funzione di una serie di fattori esogeni come le condizioni meteorologiche o la stagionalità.

In periodi di elevata produzione energetica, a seguito di una piena irradiazione solare, può verificarsi che la potenza erogata dal secondo generatore 102 superi la richiesta di energia necessaria per le utenze elettriche 105. Per evitare che l’energia fornita sia sprecata o sovraccarichi il sistema elettrico isolato 100, detti inverter 106 consentono di scalare e dunque regolare l’erogazione di energia, attivando/disattivando parte dei moduli solari che compongono il secondo generatore 102 fotovoltaico.

La seconda corrente elettrica prodotta dal secondo generatore 102 fotovoltaico risulta in questo modo dosabile in funzione delle effettive necessità.

Questa seconda corrente elettrica può essere combinata durante le ore diurne con la prima corrente elettrica alternata prodotta dal primo generatore 101 per sopperire alla richiesta delle utenze elettriche 105, secondo uno schema come quello raffigurato in figura n.2.

Il primo generatore 101 funziona di fatto in servizio continuo, ossia 24 ore su 24, per garantire almeno detta prima corrente alternata (FG) al sistema elettrico isolato 100.

La seconda corrente del secondo generatore 102 à ̈ direttamente utilizzata dal sistema elettrico isolato 100 senza accumulo preventivo in batterie o accumulatori disposti nel impianto di generazione 110. Se l’energia di origine solare (SG) à ̈ disponibile questa aiuta il generatore di tipo fossile 101 ad integrare la fornitura di energia elettrica (PC) alle utenze elettriche 105, altrimenti il quadro elettrico 103 ed il sistema di gestione 104 provvederanno ad assorbire l’energia (FG) necessaria esclusivamente dal primo generatore 101.

In particolare, quando le utenze 105 del sistema elettrico isolato 100 comprendono prevalentemente pompe a bilanciere contrappesate 105’ azionate ciascuna da motori elettrici asincroni, tipiche dei campi olio, la potenza reattiva necessaria all’avvio di dette pompe 105’ viene fornita prevalentemente dal primo generatore 101.

Dette pompe 105’ sono tipicamanete destinate all’estrazione di liquidi dal sottosuolo (acqua, petrolio, ecc.) e presentano un ciclo di assorbimento dell’energia anomalo.

Queste pompe 105’, durante la fase di risalita del contrappeso, assorbono un elevato quantitativo di energia, mentre durante la fase di discesa del contrappeso, l’inerzia dello stesso sospinge il motore elettrico della pompa in generazione anziché assorbimento dell’energia elettrica, trasformandolo, di fatto, in un generatore elettrico di una terza corrente elettrica durante questa fase.

Quando dette pompe 105’ sono almeno due, possono risultare sfasate tra loro, per cui alcune di esse saranno in fase di risalita e dunque assorbenti energia elettrica, e altre in fase di discesa e dunque cedenti energia elettrica.

Quando si verifica ciò, l’energia ceduta da parte delle suddette pompe 105’ viene impiegata dal quadro elettrico di alimentazione 103 per alimentare le restanti pompe 105’ o le ulteriori utenze 105’’ presenti nel sistema 100.

Qualora detta terza corrente ceduta da dette pompe 105’ superi l’energia richiesta dalle utenze 105, il quadro elettrico di alimentazione 103 e il sistema di gestione dell’energia 104, inviano l’energia elettrica in surplus ad un resistore, noto anche col nome di breaking unit, per evitare che la terza corrente raggiunga il primo generatore 101.

Infatti, se la terza corrente raggiunge il primo generatore 101, il senso di rotazione dell’alternatore può invertirsi per un breve periodo, causando una forte sollecitazione meccanica alla struttura ed in particolare all’albero del primo generatore 101, esponendo il primo generatore 101 al rischio di rotture.

Detto quadro elettrico di alimentazione (103) e detto sistema di gestione dell’energia (104) possono monitorare le utenze elettriche (105) acquisendo nel tempo i segnali provenienti dalle stesse. In particolare questi segnali acquisiti dalle utenze possono essere portate e/o pressioni misurate da opportuni strumenti, ad esempio trasmettitori, flussimetri, manometri installati sui pozzi dei campi olio, in modo da permettere una storicizzazione dei profili di assorbimento delle utenze elettriche (105) e prevedere eventuali situazioni di rischio e/o shutdown. In questo modo, viene ridotto l’inutilizzo delle pompe (105’) presenti nei campi olio.

Dalla descrizione effettuata sono chiare le caratteristiche dell’ impianto di generazione elettrica e del sistema elettrico isolato oggetto della presente invenzione, così come sono chiari i relativi vantaggi. Infatti, l’utilizzo combinato di un primo generatore 101 alimentato con combustibile di origine fossile e un secondo generatore 102 fotovoltaico permettono di ridurre il consumo di combustibile del primo generatore 101 e l’inquinamento generato dallo stesso.

Inoltre, essendo in questo modo ridotto l’utilizzo del primo generatore 101, la manutenzione sullo stesso sarà ridotta.

Per di più, l’utilizzo del resistore 107 permette di salvaguardare il primo generatore 101 da eventuali correnti di ingresso nello stesso, con la conseguente riduzione delle attività di manutenzione.

La combinazione dei due generatori 101, 102 consente una produzione istantanea bilanciata di energia elettrica in funzione della disponibilità delle due fonti di alimentazione, senza l’impiego di accumulatori o batterie.

L’impiego del quadro elettrico di alimentazione 103 e del sistema di gestione dell’energia 104 permettono una gestione ottimizzata delle correnti e dei flussi energetici in ingresso/uscita dall’intero impianto 110, a prescindere dalla diversità, sia delle fonti primarie (fossile/solare), che della generazione elettrica (alternata/continua).

La disposizione distribuita di una pluralità di inverter consente di dosare l’energia elettrica prodotta del secondo generatore 102 in funzione del fabbisogno delle utenze elettriche 105.

Questo impianto di generazione elettrica 110 si presta principalmente per l’uso in impianti di estrazione petrolifera e nei campi olio e dove si generano correnti inverse, ossia dall’utenza verso il sistema di generazione.

È chiaro, infine, che l’impianto di generazione elettrica e il sistema elettrico isolato così concepiti sono suscettibili di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’invenzione; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Impianto di generazione elettrica (110) del tipo senza connessione a una rete elettrica per generare una corrente elettrica alternata destinata ad una pluralità di utenze (105) comprendente: - un primo generatore (101) alimentato con combustibile di origine fossile per generare una prima corrente elettrica alternata in servizio continuo; - un secondo generatore (102) fotovoltaico per generare una seconda corrente elettrica continua dalla conversione della radiazione solare comprendente una pluralità di inverter (106) di tipo distribuito per invertire detta seconda corrente continua in alternata e regolare la stessa; - un quadro elettrico di alimentazione (103) del tipo power motor control center alimentato da dette prima e seconda corrente; - un sistema di gestione dell’energia (104) per regolare detto primo generatore (101) in funzione della corrente elettrica generata da detto secondo generatore (102) e delle richieste di carico di eventuali utenze elettriche (105); - un resistore (107) per evitare l’ingresso di correnti elettriche nel primo generatore (101) potenzialmente pericolose allo stesso.
2. 2) Impianto di generazione elettrica (110) secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo generatore (101) Ã ̈ un generatore diesel.
3. 3) Sistema elettrico isolato (100) comprendente un impianto di generazione elettrica (110) secondo la rivendicazione 1 o 2 per generare una corrente elettrica alternata e una pluralità di utenze elettriche (105).
4. 4) Sistema elettrico isolato (100) secondo la rivendicazione 3, in cui dette utenze elettriche (105) comprendono una pompa a bilanciere contrappesata (105’) azionata da un motore elettrico (108) asincrono per estrarre liquidi dal sottosuolo.
5. 5) Sistema elettrico isolato (100) secondo la rivendicazione 4, in cui detto motore elettrico (108) genera una terza corrente elettrica alternata quando il contrappeso di detta pompa a bilanciere contrappesata (105’) discende per gravità verso il terreno, essendo detta terza corrente elettrica impiegata dal quadro elettrico di alimentazione (103) per alimentare dette utenze elettriche (105).
6. 6) Sistema elettrico isolato (100) secondo la rivendicazione 5, in cui detto resistore (107) riceve detta terza corrente elettrica, quando dette pompe a bilanciere contrappesate (105’) sono almeno due e quando detta terza corrente elettrica prodotta da una parte o dalla totalità di dette pompe a bilanciere contrappesate (105’) supera l’assorbimento della pluralità di utenze elettriche (105), per evitare che detta terza corrente elettrica danneggi detto primo generatore (101).
7. 7) Sistema elettrico isolato (100) secondo la rivendicazione 4, in cui detta terza corrente elettrica à ̈ impiegata dal quadro elettrico di alimentazione (103) per alimentare almeno un altro di detti motori elettrici (108), che non sia anch’esso in generazione, quando dette pompe a bilanciere contrappesate (105’) sono almeno due.