Caterpillar propone la "generazione distribuita" per un'energia garantita

Ingresso al Centro Dimostrativo e di Apprendimento Caterpillar di Malaga (Foto: tutte le foto sono fornite da Caterpillar)

Nel 1971, quando Caterpillar aprì il suo Centro Dimostrativo e di Apprendimento di Malaga (MDLC) sulle colline che dominano la Costa del Sol spagnola, non c'era altro nelle vicinanze. Da allora, la zona è stata gradualmente circondata da una serie di centri commerciali e parchi industriali.

Ciò non ha impedito all'azienda globale di macchine e motori di espandere la propria sede. Nel 2024, il sito di 260 acri ha ospitato oltre 330 eventi a cui hanno partecipato circa 7.000 visitatori, tra cui dipendenti Cat, concessionari, clienti e, occasionalmente, qualche giornalista.

Area dimostrativa delle attrezzature presso il MDLC di Caterpillar

Oltre alle sale riunioni, il MDLC ospita circa 60 macchine in qualsiasi momento. Sono inoltre presenti un vano motore di grandi dimensioni e il laboratorio SOS per l'olio, che esegue analisi di olio, refrigerante e carburante con un tempo di risposta di 24 ore.

Instabilità della rete

Il segmento Electric Power fa parte della divisione Energy & Transportation di Caterpillar. Con prodotti commercializzati da Cat, FG Wilson e MWM, Electric Power fornisce soluzioni utilizzate in diversi settori, tra cui l'industria mineraria e delle costruzioni, l'agricoltura, la sanità e i data center, supportando al contempo gli interventi di soccorso in caso di calamità in tutto il mondo.

Descrivendo il lavoro svolto dal segmento Electric Power, Rich Osborne, vicepresidente e direttore generale di Large Electric Power, ha osservato: "Vendiamo soluzioni, non solo gruppi elettrogeni".

Detto questo, queste soluzioni hanno subito notevoli cambiamenti a causa dell'evoluzione del panorama energetico negli ultimi anni. Con investimenti insufficienti nelle reti nazionali in tutto il mondo, complicati dall'aggiunta di ulteriori punti di carico, si è registrato un aumento generale dell'instabilità della rete; un esempio calzante è il blackout verificatosi ad aprile di quest'anno in tutta la penisola iberica, che ha lasciato Spagna e Portogallo al buio per oltre 24 ore.

È stato riportato che circa il 56% dell'energia fornita tramite la rete in Spagna proviene da fonti rinnovabili generate da impianti eolici e solari; il Paese punta a far sì che l'81% di tutta l'elettricità fornita provenga da fonti rinnovabili entro il 2030.

Tuttavia, nonostante la proliferazione di parchi eolici e solari in tutto il paese, la capacità di accumulo non ha tenuto il passo. E senza un accumulo sufficiente a bilanciare la rete elettrica, la domanda rischia ancora di superare l'offerta. Questo rappresenta un problema costante per le industrie che necessitano di una fonte di energia costante e affidabile.

Nuovi gruppi elettrogeni

Con questa instabilità in mente, Caterpillar ha individuato quella che Brian George, vicepresidente di Ingegneria e Gestione Prodotti di Large Electric Power, ha definito una "opportunità di supporto alla rete di distribuzione". In sostanza, questo si traduce in una generazione di energia su scala industriale attraverso la localizzazione di impianti di generazione in prossimità del centro di carico, ovvero la cosiddetta generazione distribuita.

Caterpillar è nella posizione ideale per supportare questo modello, in quanto l'azienda dispone di un'offerta integrata che va dalla progettazione del sistema fino alla generazione di energia, allo stoccaggio, al controllo e agli elementi di commutazione per creare microreti singole, multiple e a sito completo.

Questo scenario si concentra sui nuovi gruppi elettrogeni a gas naturale/biogas della serie G3500K, disponibili in configurazioni a 50 e 60 Hz. Destinati ad applicazioni con potenza compresa tra 1,5 e 2,5 eMW, i gruppi possono raggiungere il pieno carico in un tempo inferiore del 40% rispetto ai loro predecessori. Il modello a combustibile gassoso riduce sia le emissioni che i costi; Caterpillar stima un risparmio di carburante di 350.000 euro in 10 anni.

Gruppo elettrogeno a gas naturale Cat G3520K a 20 cilindri

La serie G3500K offre una serie di miglioramenti rispetto alla precedente G3500H. Innanzitutto, il nuovissimo monoblocco contribuisce a migliorare le prestazioni e i consumi. È inoltre presente un nuovo turbocompressore con wastegate integrata per ottimizzare la pressione interna, mentre un nuovo intercooler più grande può regolare meglio la temperatura dell'aria del motore per ottenere maggiore efficienza e potenza.

Grazie a un sistema di post-trattamento delle emissioni potenziato e al sistema di cogenerazione (CH&P) opzionale che cattura e riutilizza l'energia altrimenti dispersa sotto forma di calore, il gruppo elettrogeno può massimizzare la resa da ogni metro cubo di carburante. Secondo Caterpillar, il nuovo modello può raggiungere un'efficienza elettrica complessiva fino al 46,5% (i modelli CH&P possono raggiungere un'efficienza complessiva dell'89,6%).

"Finora, molte soluzioni sono state utilizzate come alimentazione di backup per i data center", ha affermato George. "Ma possono volerci diversi anni prima che un nuovo data center sia collegato alla rete, quindi ora stiamo valutando soluzioni che rappresentino un ponte verso la rete."

Potenza con controllo

La generazione distribuita si traduce essenzialmente nell'energia generata localmente per una specifica applicazione locale, che si tratti di un data center, di un ospedale o di altre infrastrutture critiche, o di un'attività edilizia, mineraria o agricola. L'energia generata può sostituire la rete elettrica, supportarla secondo necessità o, come accennato, fungere da "ponte" dove l'energia viene erogata fino al completamento della connessione alla rete.

Ci sono anche altri vantaggi. Ad esempio, la generazione distribuita può sostituire l'energia elettrica dalla rete quando i prezzi aumentano a causa di un'elevata domanda, un processo noto come peak shaving. Questo può aiutare a determinare il prezzo al kilowattora per il cliente, che di solito viene calcolato in base al prezzo di picco. Evitare picchi più elevati utilizzando l'energia distribuita in loco può quindi contribuire a ridurre le bollette elettriche.

Laddove i gruppi elettrogeni sono solitamente destinati a fornire energia primaria o di riserva, la generazione distribuita può assumere entrambe queste forme. Laddove un generatore di riserva entrerebbe in funzione solo in caso di interruzione di corrente di emergenza, come il blackout in Spagna e Portogallo, e verrebbe probabilmente avviato solo per convalida/test, Caterpillar sostiene che una rete distribuita si collocherebbe probabilmente a metà strada tra le due, raggiungendo probabilmente 3.000 avviamenti/arresti all'anno e circa 1.000 ore di funzionamento.

Chiaramente, una rete di questo tipo richiederà un sistema di controllo avanzato per gestire i tempi di attività in base al consumo e a diversi altri fattori. A questo scopo, Cat ha recentemente presentato la sua gamma di controller ECS per analizzare e gestire la produzione e la distribuzione dell'energia da un impianto di generazione distribuita scalabile.

Cat ECS 200

La serie inizia con l'ECS 100, un sistema di standby progettato per installazioni più piccole, da uno a tre gruppi elettrogeni. Per i sistemi di cogenerazione, il bilanciamento della potenza e l'allineamento alle normative di rete, è disponibile l'ECS 200, un controller per singolo asset che consente il parallelo di un massimo di 32 gruppi elettrogeni. Per applicazioni più complesse, incluso il controllo degli interruttori automatici, Cat ha introdotto l'ECS 300. Infine, per la supervisione completa di microreti con più di cinque asset, è disponibile l'ECS 400.

Per fornire maggiori informazioni sul funzionamento dei controller, Vic Williams, responsabile commerciale di Caterpillar, ha illustrato come il sistema attualmente in uso presso il Cat's Tucson Proving Ground negli Stati Uniti sia stato aggiornato per ridurre i costi di carburante e le emissioni. Grazie all'aggiunta di pannelli fotovoltaici e di un sistema di accumulo di energia, il tutto gestito da un ECS 400, il sistema ha ottenuto una riduzione del 33% del consumo di carburante e del 25% dei costi di manutenzione (dati del 2023).

È importante sottolineare che non è assolutamente necessario installare un sistema Caterpillar completo da zero, poiché l'ammodernamento e il retrofitting sono parte integrante del rapporto con il cliente. Come ha affermato Williams in merito alla retrocompatibilità con hardware e sistemi esistenti: "Esiste un processo di indagine per determinare se [i sistemi Cat] possono funzionare con un sistema esistente di un'altra azienda".

accumulo di energia

Come osservato in precedenza, la Spagna non è riuscita a bilanciare gli investimenti nella produzione di energia rinnovabile con la relativa capacità di accumulo. Sebbene sia improbabile che sia stata la causa principale del blackout regionale di aprile, la mancanza di accumulo potrebbe comportare l'impossibilità di mantenere i livelli di tensione necessari in tutta la rete.

Soluzione Cat Hybrid Power per infrastrutture di telecomunicazioni

Sebbene su scala molto più ridotta, l'accumulo di energia è altrettanto importante per una microrete. Un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) può svolgere una varietà di funzioni, tra cui l'accumulo di energia da fonti rinnovabili quando necessario o l'erogazione di energia alla microrete nei momenti di picco. Inoltre, le unità possono funzionare in modo pressoché silenzioso, ricaricando al contempo le macchine elettriche a batteria.

Cat offre una serie di opzioni BESS, che vanno dai modelli compatti come ETS (per applicazioni di telecomunicazioni, tra cui torri di telefonia mobile) e unità mobili XES, ai modelli di medie dimensioni ECE (Energy Capacity Expansion) ed ETS (Energy Time Shift), fino alle unità container PGS (Power Grid Stabilization).

Ognuna di queste unità protegge da una serie di potenziali problemi di alimentazione, come guasti al sistema, cali/sbalzi di tensione e condizioni di sotto/sovrafrequenza. Se utilizzate in una configurazione ibrida con uno o più gruppi elettrogeni, le unità BESS possono ridurre il consumo di carburante o fornire la riserva di potenza necessaria per attenuare i cali transitori di tensione e frequenza associati a carichi elettrici elevati. Ciò può contribuire a ridurre le bollette elettriche e i costi operativi (OPEX) senza compromettere la resilienza del sistema.

Queste unità BESS svolgono un ruolo fondamentale nella fornitura di soluzioni di bridging, sia per esigenze di alimentazione temporanee che come installazione semi-permanente. Spiegando più in dettaglio le soluzioni BESS offerte da Cat, Michele Trebbi, Ingegnere dei Sistemi Energetici di Electric Power, ha affermato: "Non consideriamo la rete come un nemico, ma come un partner. Offriamo soluzioni di bridging affinché la rete possa continuare a fornire energia ai clienti esistenti".

Sistema di accumulo di energia compatto Cat XES60

Le unità BESS, di cui più unità possono essere collegate per fornire una maggiore capacità di potenza, offrono un ulteriore vantaggio operativo. L'energia elettrica accumulata, quando non richiesta dalla microrete, può essere utilizzata per trasformare il biogas in biometano o per elettrolizzare l'acqua in idrogeno. Questi combustibili possono quindi essere utilizzati nel relativo gruppo elettrogeno per contribuire a ridurre ulteriormente le emissioni totali. Per contribuire a ridurre l'impronta di carbonio complessiva, il nuovo gruppo elettrogeno a gas della serie G3500K può essere alimentato a biogas o gas naturale combinato con una percentuale di idrogeno fino al 25%.