I conduttori HTLS con anima in carbonio offrono prestazioni elevate, ma come si valuta la loro affidabilità nel tempo? Analizziamo i metodi di invecchiamento accelerato e l'importanza di test rigorosi per verificare la durabilità dei materiali.
La rete di trasmissione elettrica mondiale sta affrontando una trasformazione senza precedenti. I consumi energetici aumentano continuamente e il trasporto dell’energia si scontra con una struttura rigida in quanto la maggior parte delle dorsali ad alta tensione è stata progettata decenni fa, per gestire flussi stabili, provenienti da poche e grandi centrali fossili.
Oggi, l’ingresso massiccio delle fonti rinnovabili, discontinue e distribuite sul territorio, mette a dura prova questa vecchia architettura, rendendo urgente l’adozione di tecnologie ad alta efficienza: i conduttori tradizionali (come gli ACSR) non sono più sufficienti per gestire l’aumento massiccio della domanda elettrica e la spiccata intermittenza delle fonti rinnovabili.
I conduttori con anima composita sono la tecnologia più avanzata che il mercato offre se si parla di conduttori HTLS.
Essi, infatti, combinano l’affidabilità strutturale data dall’utilizzo di un’anima in fibra di carbonio (la quale offre delle eccellenti proprietà meccaniche) con la possibilità di operare ad alte temperature, aumentando l’efficienza della trasmissione energetica, riducendo le perdite e le emissioni di CO2.
Indice:
1. Carbon core conductors
I conduttori che impiegano un’anima composita sono molto più leggeri e con una resistenza meccanica superiore rispetto a conduttori ACSR standard. Essi possono ridurre le perdite sino ad un 10% con un relativo aumento di Ampacity del 100%. Il loro minor peso permetto di avere delle frecce ridotte e di gravare in maniera minore sulle strutture portanti.
L’adozione di conduttori con anima in carbonio si traduce in un’infrastruttura più efficiente e sicura, consentendo un’evoluzione delle reti di trasmissione che risponde alle crescenti richieste energetiche globali.
1.1 Single core VS Multi wires core
Esistono principalmente due tipologie di conduttori che impiegano un’anima in carbonio:
- Single carbon core (ACCS – ACCS SENS)
- Multi carbon core (ACCM)
1.1.1 Single carbon core
La soluzione single core ACCS è la più economica ma offre sicuramente una minore flessibilità e richiede inoltre maggiore attenzione durante la fase di installazione.
Per rispondere all’aumento di domanda delle utilities di verificare l’integrità di questa tipologia di core, De Angeli Prodotti ha sviluppato una tecnologia di monitoraggio semplice e affidabile: ACCS – SENS sfrutta tre fibre ottiche intercalate nell’anima composita. Queste fibre, unite all’utilizzo di un apposito interrogatore, sono sfruttate per controllare l’incolumità del prodotto, migliorando la sicurezza durante l’installazione e la localizzazione di possibili danni.
1.1.2 Multi wires carbon core
La soluzione ACCM (Aluminium Conductor Composite Multistrand), invece, è composta da più fili di materiale composito di forma trapezoidale cordati assieme. Questa struttura offre una flessibilità molto elevata rispetto ai conduttori ACCS: potenziali crepe che si possono sviluppare nel tempo non si propagano nell’interezza della sezione (come nel caso di un ACCS) ma si limitano al singolo filo, garantendo al conduttore di mantenere delle buone proprietà meccaniche.
Per questa ragione, un’anima ACCM non necessita di nessun tipo di monitoraggio perché ha una sicurezza intrinseca maggiore, non essendo formata da un singolo filo di dimensione considerevoli ma da più fili cordati intorno ad in singolo filo centrale. La forma a conci, inoltre, incrementa notevolmente la resistenza a compressione dell’anima rispetto ad una struttura composta interamente da fili tondi.
1.2 Due soluzioni con alta protezione dalla corrosione
Nonostante le differenze strutturali, sia i modelli ACCS che ACCM forniti da De Angeli Prodotti promettono un’elevata protezione dalla corrosione galvanica.
Cos’è e come avviene la corrosione galvanica?
La corrosione avviene quando due materiali conduttivi con un diverso potenziale elettrochimico entrano in contatto diretto in presenza di un elettrolita, come l’acqua.
Per prevenire la corrosione dei mantelli conduttivi, un tubo in alluminio viene estruso sopra l’anima per prevenire l’entrata di acqua o vapore, l’elettrolita che andrebbe a provocare la corrosione. In aggiunta, il core in carbonio è rivestito con un nastro che funge da ulteriore barriera fisica tra alluminio e carbonio.
La corrosione, se non si ha un’adeguata protezione, può portare al degrado dell’alluminio e nei peggiori casi a cedimenti strutturali delle linee.
2. Test standardizzati di invecchiamento accelerato
Le proprietà di un’anima in carbonio devono risultare stabili durante tutto l’arco della vita di un conduttore: per verificare ciò, vengono effettuate delle prove di invecchiamento utili a dimostrare la validità dei prodotti per 40 – 50 anni.
Nel seguente paragrafo vengono presentati e confrontati tra loro come esempio un test uniformato secondo normativa IEC 62818 ed un test alternativo non standardizzato ed estremamente meno rigoroso.
2.1 Invecchiamento dell’anima di carbonio secondo la norma IEC 62818
La IEC TS 62818-1 ED1 è una specifica tecnica internazionale pubblicata dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) che definisce sistemi e metodi per la valutazione e utilizzo di nuclei compositi rinforzati con fibre come elementi di supporto nei conduttori per linee aeree.
Si applica ai nuclei compositi con matrice polimerica utilizzati come anima nei conduttori per linee aeree e fornisce linee guida per:
- Definire i termini comuni relativi ai nuclei compositi rinforzati con fibre e matrice polimerica.
- Prescrivere metodi di caratterizzazione delle proprietà di questi nuclei.
- Raccomandare criteri di accettazione, quando applicabile.
Questi test e criteri garantiscono un uso sicuro e una qualità adeguata in condizioni operative normali.
Un punto cruciale di questa norma riguarda l’invecchiamento del materiale composito che costituisce l’anima: durante la vita del conduttore, la matrice polimerica del core è soggetta a processi di termo-ossidazione e le sue proprietà possono cambiare. Poiché l’anima in materiale composito è progettata per fungere da supporto meccanico della linea aerea, essa deve mantenere le proprie caratteristiche per l’intera vita utile della linea stessa, tipicamente pari a 40 o 50 anni.
Non essendo possibile eseguire una prova di tale durata, l’unica soluzione praticabile consiste nel ricorrere a procedure di invecchiamento accelerato per dimostrare la durabilità dell’anima, a una determinata temperatura, per il periodo di esercizio richiesto.
La procedura per la prova di invecchiamento accelerato è basata sul metodo delle curve di Arrhenius: diversi campioni vengono invecchiati per un lungo periodo a differenti temperature (esempi sono 180 – 190 – 200°C) tali da innescare reazioni di degradazione che andranno a danneggiare il campione con conseguente diminuzione delle proprietà meccaniche. Vengono effettuati più test a differenti temperature perché la cinetica delle reazioni di degradazione ha una forte dipendenza dalla temperatura stessa.
I campioni vengono poi estratti con una certa frequenza dalla stufa e le loro proprietà meccaniche vengono testate tramite una prova di rottura a trazione: il carico calerà in maniera proporzionale alla temperatura e al tempo di esposizione. La temperatura di utilizzo viene stimata costruendo la curva di Arrhenius, che si ottiene riportando su un grafico le temperature dei test e i tempi di esposizione necessari per raggiungere il criterio di fine prova.
Esistono due metodi differenti che descrivono il criterio di fine prova per ogni temperatura testata. Essi sono presentati nel paragrafo successivo.
2.1.1 Due metodi di prova: entrambi validi ma non equivalenti
La prova può avvenire seguendo due differenti criteri di fine prova esplicitati nella norma:
- METODO A: la prova viene considerata conclusa quando il carico di rottura sperimentale del campione raggiunge un valore inferiore del 5-10% rispetto al carico di rottura NOMINALE
- METODO B: la prova viene considerata conclusa quando il carico di rottura sperimentale del campione raggiunge un valore inferiore al 10% rispetto al carico di rottura REALE
In entrambi i casi, è fondamentale raggiungere il momento in cui si osserva il decadimento del carico di rottura del composito in carbonio.
Nonostante possano sembrare due approcci equivalenti, il METODO A risulta essere più flessibile rispetto al METODO B perché si basa sul carico nominale, un valore non sperimentale, ma piuttosto un valore dichiarato dal produttore. Questo porta con sé un grande vantaggio nell’adottare il METODO A: solitamente il carico nominale ha valori inferiori rispetto a carichi di rottura sperimentali. Questo implica che, se il carico di rottura nominale dichiarato è basso, il criterio di fine prova risulta meno restrittivo e, di conseguenza, si raggiungono aspettative di vita più elevate (il punto di partenza per entrambi i metodi è lo stesso, ovvero il carico di rottura reale).
Il METODO B risulta essere più affidabile: il limite per cui la prova viene conclusa non è definito da un punto arbitrario basato su dichiarazioni dei produttori ma dal carico di rottura sperimentale dell’anima prima dell’invecchiamento. In questa maniera il test di Arrhenius restituisce dei risultati direttamente dipendenti dalle proprietà del materiale e non dal carico di rottura dichiarato.
Di seguito è presente un grafico di un test di invecchiamento a 190°C.
L’iniziale aumento del carico di rottura dei campioni che si può notare in Figura 1 è probabilmente causato da un curing ulteriore della matrice polimerica, che aumenta le proprietà meccaniche del prodotto. Nel tempo questo effetto svanisce e vengono favorite le rezioni di degradazione della matrice.
In Figura 2 viene presentato un ingrandimento di Figura 1 nella zona dove avviene il decadimento del carico di rottura.
Seguendo il METODO B si arriva ad una diminuzione del 10% RTSreal dopo circa 10000 ore. Con il METODO A si arriva ad una riduzione del 5% RTS nom dopo 12700 ore ed una riduzione del 10% RTS nom viene raggiunto dopo 13200 ore: il guadagno del METODO A rispetto al METODO B è in un caso di 2700 ore e nell’altro di 3200 ore.
È evidente come il METODO A porti a considerevoli vantaggi durante un test di invecchiamento Arrhenius: un guadagno di tempo di questo tipo per ogni temperatura testata può portare ad un incremento finale della stima di vita di un core in carbonio.
Il rischio maggiore che si corre nell’utilizzare il metodo A senza alcun criterio è quello di sovrastimare le capacità dell’anima di resistere alle alte temperature: solitamente i compositi in fibra di carbonio presentano un collasso delle proprietà meccaniche ad un certo punto dell’invecchiamento (in Fig. 1 dopo le 8000 ore si ha un decremento rapido del carico di rottura). Sovrastimare la temperatura di lavoro del prodotto di 5-10°C (come può accadere seguendo il metodo A) riduce il margine di sicurezza avendo una degradazione più veloce del composito.
Il METODO B appare quindi come più solido e affidabile in quanto non si presenta alcun guadagno di tempo e non viene sovrastimata la temperatura di utilizzo.
L’analisi dei risultati appena effettuata è estendibile ad ogni temperatura di prova. De Angeli Prodotti segue le linee guida del METODO B per testare ogni composito dei conduttori HTLS che commercializza.
2.2 Prestazioni alle alte temperature: dichiarate o comprovate?
È di fondamentale importanza interpretare i dati in maniera corretta seguendo la normativa per una stima esatta della temperatura di esercizio dell’anima composita. Può capitare che si incontrino test di invecchiamento legati a procedure non standardizzate per il calcolo della temperatura di utilizzo. I risultati ottenuti seguendo questi metodi possono generare aspettative irrealistiche riguardo alla durata del prodotto e comportare potenziali rischi in applicazioni in cui l’affidabilità a lungo termine è fondamentale.
Un esempio è riportato in Figura 3, dove i dati del grafico presentato nel paragrafo precedente vengono analizzati e interpolati seguendo una procedura diversa, non standardizzata e non facente parte delle linee guida della norma IEC 62818.
In questo esempio, i campioni vengono invecchiati ad una singola temperatura, vengono estratti e viene monitorato il calo del carico di rottura. La stima della vita utile del conduttore non viene ottenuta interpolando dati provenienti da vari test a differenti temperature: viene estrapolata dopo solamente un singolo test tramite una legge logaritmica.
Per confrontare questo metodo con il metodo standard secondo IEC 62818, i dati precedenti vengono elaborati secondo questa procedura. Viene scelto il METODO B come criterio di fine prova.
Seguendo questa metodologia, il valore di vita estrapolato è incredibilmente alto e promettente: le frecce in Figura 3 mostrano come un’anima in composito, per una temperatura di esercizio di 190°C, arriva ad una stima di vita che si aggira intorno alle 3 · 106 ore, ovvero 340 anni! Nonostante il carico di rottura cali molto rapidamente dopo 800 ore, questo metodo permette di stabilire una stima di vita che va al di la di ogni aspettativa più ottimista.
Ovviamente una stima effettuata in questa maniera è inattendibile rispetto ad un test Arrhenius per diverse ragioni:
- Singola temperatura analizzata: il campione è stato testato ad una singola temperatura e ciò non permette di determinare con precisione l’energia di attivazione necessaria perché avvenga una reazione di decadimento. Il test non consente quindi una validazione di tipo Arrhenius siccome devono essere effettuati vari test a temperature differenti per verificare la cinetica delle reazioni di degradazione.
- Interpolazione logaritmica: il modello logaritmico, se non supportato da una giustificazione fisica e sperimentale, non garantisce una corretta rappresentazione del comportamento a lungo termine. Osservando il grafico in Figura 3, si nota che inizialmente i valori di carico rimangono pressoché costanti, per poi collassare dopo 8000 ore. Un’interpolazione di natura logaritmica non riesce a descrivere adeguatamente un comportamento del genere perché tende ad appiattire i valori stimati dell’RTS dell’anima, portando ad un’estrema sovrastima della vita utile del campione. Inoltre, questa tipologia di fitting è estremamente sensibile ai dati che cerca di interpolare. Eliminare alcuni dati o modificarne il loro valore porta a stime di vita che differiscono notevolmente (anche migliaia di anni!): escludendo solamente l’ultimo punto (il punto più sfavorevole che descrive il rapido declino del carico di rottura), il core in carbonio risulterebbe eterno (>106 anni!), senza alcun segno di decomposizione anche dopo migliaia di anni.
- Tipologia di interpolazione: se si vuole seguire una procedura di invecchiamento Arrhenius, l’interpolazione di dati viene eseguita una volta che sono state effettuate tutte le prove alle differenti temperature e non dopo un singolo test. Il fitting precedente, oltreché essere errato, è inutile ai fini di un test di Arrhenius.
Per concludere, questa metodologia non consente di valutare la resistenza termica a lungo termine: non si basa su dati reali, ma su un’estrapolazione che restituisce valori infondati e privi di qualunque significato fisico. A differenza di questo metodo, l’analisi di Arrhenius fornisce un quadro fisicamente fondato per valutare il comportamento di invecchiamento in funzione della temperatura.
Noi di De Angeli Prodotti riteniamo che le specifiche relative alle temperature di esercizio debbano basarsi su solidi principi scientifici, procedure di prova riconosciute e valutazioni ingegneristiche trasparenti.
3. Conclusioni
I conduttori con anima in carbonio rappresentano un’importante evoluzione tecnologica per le reti di trasmissione elettrica, grazie alla combinazione di elevate prestazioni meccaniche, leggerezza e capacità di operare ad alte temperature. Tuttavia, per un’infrastruttura progettata per funzionare per decenni, le prestazioni iniziali non sono sufficienti: è fondamentale conoscere come i materiali si comporteranno nel tempo.
La durabilità dell’anima composita diventa quindi un criterio essenziale nella valutazione di un conduttore HTLS. Come evidenziato, metodologie di prova differenti possono portare a stime di vita utile significativamente diverse, anche partendo dagli stessi dati sperimentali. Per questo, adottare procedure standardizzate e criteri di valutazione rigorosi è indispensabile per ottenere risultati attendibili.
In De Angeli Prodotti abbiamo scelto di seguire il Metodo B previsto dalla IEC TS 62818-1, basando le valutazioni dell’invecchiamento sulla resistenza meccanica effettivamente misurata dei materiali, anziché su valori nominali dichiarati. È un approccio che riflette la nostra filosofia di sviluppo: privilegiare la solidità delle evidenze sperimentali rispetto alla ricerca di prestazioni teoriche particolarmente elevate.
Con i nostri conduttori ACCS, ACCS-SENS e ACCM, uniamo l’innovazione nella progettazione delle anime composite a un’attenta valutazione della loro affidabilità nel lungo periodo. Perché la qualità di un conduttore non si misura soltanto da ciò che può fare oggi, ma anche dalla capacità di mantenere le proprie caratteristiche durante la vita operativa della linea.
