A causa del progressivo deterioramento delle condizioni ambientali, la profonda incertezza sul futuro dell'approvvigionamento energetico ha spinto la ricerca globale di soluzioni per il risparmio energetico. Le industrie, le cui attività contribuiscono in modo sostanziale al consumo energetico totale a causa del loro fabbisogno energetico costante e cruciale, sono in prima linea in questo impegno. Le aziende odierne, dipendenti da un'alimentazione elettrica affidabile, sono costantemente alla ricerca di modi per ridurre i consumi, cercando al contempo di evitare qualsiasi reale minaccia al funzionamento dei loro carichi critici. Sebbene la massima disponibilità operativa sia di fondamentale importanza per molte di queste organizzazioni leader a livello mondiale, la presenza di un UPS (Uninterruptible Power Supply) è un prerequisito indispensabile per un'infrastruttura di alimentazione affidabile, in grado di garantire la massima protezione e preservazione del carico. I sistemi UPS forniscono alimentazione ininterrotta a sistemi elettronici come reti e server, sistemi di gestione e sicurezza degli edifici, e proteggono anche dalle interruzioni di corrente che possono potenzialmente causare arresti operativi, nonché perdite di dati, produttività e profitti per l'azienda. Inoltre, i sistemi UPS forniscono energia pulita al carico, garantendo la riduzione o la completa eliminazione della scarsa qualità dell'energia proveniente dalla rete pubblica, prevenendo così disturbi a valle. Di conseguenza, la riduzione della qualità dell'energia, unita alla ricerca delle massime prestazioni, rappresenta il futuro obiettivo di una nuova generazione di sistemi UPS: eccellente affidabilità, massima potenza in uscita e tempo di attività del 100%.
L'efficienza energetica di un UPS è il rapporto tra la potenza attiva fornita al carico e la potenza attiva assorbita dall'UPS dalla rete elettrica. Quando la corrente attraversa i componenti interni di un UPS, una certa quantità di energia viene dissipata sotto forma di calore, con conseguenti perdite. Inoltre, si consuma ulteriore energia quando è in funzione il sistema di condizionamento dell'aria per mantenere una temperatura ambiente adeguata al corretto funzionamento dell'impianto. Sebbene una certa perdita di energia sia inevitabile, è evidente che la riduzione del consumo energetico dell'UPS e il conseguente aumento della sua efficienza contribuiscono significativamente a minimizzare gli sprechi e a massimizzare il risparmio complessivo sulla bolletta elettrica. Il risparmio accumulato nell'arco di 24 ore, 365 giorni all'anno, per un periodo di cinque anni, non solo copre il costo di acquisto di un UPS, ma contribuisce attivamente anche a ridurre le emissioni di CO2 e di altri gas serra, garantendo il minimo impatto ambientale della soluzione di protezione dell'alimentazione scelta.
La soluzione UPS ottimale per l'efficienza energetica.
Considerando la crescente domanda di risparmio energetico e le tecnologie UPS disponibili, in termini di efficienza energetica, l'UPS ideale dovrebbe essere in grado di prevedere la tipologia di disturbi e guasti di alimentazione e, in tempo reale, implementare la soluzione migliore per risolverli, utilizzando la minima quantità di energia necessaria per garantire la migliore qualità di alimentazione al carico. Emerson Network Power ha trasformato questo ideale in realtà, creando una soluzione concreta: il primo UPS a basso consumo energetico, Trinergy™. Questo UPS rivoluzionario analizza costantemente l'ambiente elettrico in cui opera e, dopo aver valutato le condizioni di ingresso e le caratteristiche del carico, seleziona in modo intuitivo la soluzione ideale per la continuità, il condizionamento e il risparmio energetico dell'alimentazione.
Ciò è possibile grazie alla disponibilità, per la prima volta in un'unica unità, delle tre configurazioni UPS ampiamente riconosciute dalla comunità di esperti del settore e dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), pienamente compatibili con tutti gli impianti.
Il controllo di qualità del carico massimo (VFI)
consente di fornire un'alimentazione elettrica di altissima qualità al carico quando il sistema rileva che l'ambiente elettrico richiede un condizionamento.
Se si verifica un degrado della qualità dell'energia e i parametri monitorati sono fuori tolleranza, il controllo di qualità massimo permette un condizionamento ottimale dell'energia al carico utilizzando la modalità a doppia conversione con un'efficienza del 95%.
La funzione di massimo risparmio energetico (VFD)
rileva quando l'alimentazione principale dell'unità è di buona qualità e non è necessario alcun condizionamento.
Quando le condizioni della rete elettrica sono stabili, viene selezionata la modalità di massimo risparmio energetico, consentendo l'alimentazione del carico tramite la linea di bypass e raggiungendo un'efficienza fino al 99%.
Prestazioni elevate e condizionamento dell'alimentazione (VI)
consentono al sistema di condizionare adeguatamente l'alimentazione di rete senza dover passare all'impostazione di controllo della qualità più elevata. Quando un carico non lineare è collegato all'UPS e sono presenti armoniche di corrente, Trinergy™ è in grado di compensare agendo come un filtro attivo, consumando solo l'energia necessaria per compensare i disturbi di rete. Ciò consente di ottenere le massime prestazioni possibili in base al tipo di disturbo, con un'efficienza compresa tra il 96% e il 98%.
Oltre a queste tre modalità operative, Trinergy™ sfrutta anche le caratteristiche standard fondamentali di un UPS di alta qualità.
Ciò che distingue Trinergy™ dagli altri UPS è questa combinazione unica di prestazioni elevate, continuità di alimentazione e funzionalità eccezionali, tutte presenti per la prima volta in un unico prodotto.
- Massima disponibilità al carico.
- Prestazioni ottimali.
- Qualità dell'energia ottimale al carico.
- Piena compatibilità con qualsiasi sorgente a monte.
- Bassa distorsione armonica totale in ingresso.
- Elevato fattore di potenza in ingresso.
- Massima adattabilità per alimentare qualsiasi tipo di carico.
- Conformità comprovata agli standard di apparecchiature e installazione.
Caso di studio sui data center:
I data center si affidano ai sistemi UPS per stabilizzare l'alimentazione ed eliminare interruzioni di corrente momentanee, cali di tensione, sovratensioni e altre deviazioni di corrente, garantendo così la continuità e la sicurezza della rete su cui operano.
Quindi, dove va a finire l'energia? Prima di raggiungere il rack delle apparecchiature IT, alimenta l'UPS, passa attraverso i suoi componenti interni e viene condizionata per alimentare direttamente il data center. L'energia consumata in questa catena di approvvigionamento rappresenta una parte sostanziale dell'energia totale necessaria per alimentare un data center.
In una tipica installazione di data center, le condizioni di rete e le caratteristiche del carico elettrico variano principalmente in base al volume di traffico, con conseguenti fluttuazioni di potenza e quindi condizioni di carico variabili che richiedono la protezione di un UPS. In un dato ambiente elettrico, l'UPS influenza la distribuzione a monte a causa del fattore di potenza in ingresso (PF) e della distorsione armonica totale in ingresso (THDi). Queste caratteristiche variano considerevolmente, da 0,8 a 0,9 e dal 6% al 20% rispettivamente per PF e THDi, a seconda delle variazioni di carico, causando problemi di potenza reattiva e armonica e richiedendo quindi diversi livelli di condizionamento dell'energia. L'UPS svolge un ruolo fondamentale nel condizionamento dell'energia assorbita dal carico, in quanto contribuisce a impedire che la potenza reattiva e le sue armoniche raggiungano gli alimentatori e causino potenzialmente problemi alle apparecchiature a monte e all'intera rete elettrica, come il surriscaldamento dei trasformatori, l'invecchiamento accelerato dei componenti, la necessità di sezioni di cavo maggiori e costi di installazione e di esercizio più elevati. Attualmente, i sistemi UPS standard comunemente utilizzati nei data center garantiscono un'elevata qualità e condizionamento dell'energia operando in modalità a doppia conversione. La modalità a doppia conversione converte la corrente alternata (corrente di ingresso) in corrente continua e la corrente continua in corrente alternata (corrente di uscita), fornendo una forma d'onda di uscita perfetta indipendentemente dalla qualità della corrente di ingresso. Lo svantaggio di operare costantemente in questa modalità, anche in presenza di disturbi minimi, è la considerevole e inutile dissipazione di energia. La soluzione ideale per il condizionamento dell'alimentazione negli impianti dei data center sarebbe quindi quella in grado di condizionare in modo intuitivo la corrente e le armoniche utilizzando la minima quantità di energia possibile.
Trinergy™ è infatti in grado di operare in modalità digitale interattiva, dove l'inverter funge da filtro attivo parallelo, compensando così la distorsione armonica totale e il fattore di potenza del carico. Contemporaneamente, Trinergy™ può funzionare come filtro attivo in serie per migliorare la finestra di tolleranza della tensione di ingresso in caso di cali o picchi di tensione, raggiungendo un'eccezionale efficienza complessiva fino al 98%. Se è richiesto un significativo condizionamento della potenza o si verificano condizioni di rete particolarmente critiche, Trinergy™ può reagire immediatamente e mantenere la massima qualità possibile dell'energia in uscita operando in modalità a doppia conversione.
In conclusione, a differenza di un UPS standard che opera in modalità a doppia conversione senza considerare le condizioni della rete, Trinergy™ monitora innanzitutto le condizioni operative della rete prima di selezionare in modo intuitivo il mezzo più efficace per compensare i disturbi. Ciò consente di utilizzare solo l'energia necessaria e di raggiungere prestazioni superiori dal 4% al 7% rispetto a un UPS standard. Pertanto, garantisce un livello di prestazioni superiore, offrendo al contempo la stessa elevata qualità di condizionamento dell'energia di un UPS a doppia conversione.
Un'installazione reale:
gli eccezionali vantaggi di Trinergy™ le consentono di discriminare tra diverse condizioni di ingresso della rete e di selezionare la modalità operativa ottimale, utilizzando solo la quantità di energia necessaria a garantire la migliore qualità dell'energia in uscita e il condizionamento del carico. Per
comprendere meglio i vantaggi derivanti da questa architettura rivoluzionaria e per quantificare l'effettivo risparmio energetico ottenibile con Trinergy™, è stata effettuata una simulazione delle diverse tecnologie UPS attualmente disponibili sul mercato.
La credibilità delle simulazioni dipende dalla considerazione delle reali condizioni di rete; per questo motivo, Emerson Network Power ha condotto un'analisi dei dati di rete misurati dal suo sistema di monitoraggio e diagnostica remota LIFE™.net, un sistema di comunicazione bidirezionale attivo 24 ore su 24, 365 giorni all'anno, progettato per diagnosticare, monitorare e gestire a distanza lo stato operativo degli UPS e dei sistemi di distribuzione dell'energia elettrica sulla sua rete globale.
I dati relativi alle prestazioni degli UPS in condizioni di rete reali si riferiscono a un campione di 2.374 sistemi UPS monitorati 24 ore su 24, 365 giorni all'anno nel Regno Unito. I dati seguenti rappresentano le prestazioni medie di un'analisi di 12 mesi condotta nel 2008 con LIFE™.net presso organizzazioni protette dai nostri sistemi UPS:
- 2.709 eventi fuori tolleranza.
- Durata media fuori tolleranza di 8 secondi.
- 11 guasti alla rete elettrica primaria per UPS.
- Durata media dei guasti alla rete elettrica primaria di 120 secondi.
Tutte queste condizioni possono essere potenzialmente dannose per il carico. I risultati precedenti si sono rivelati fondamentali se analizzati in combinazione con le tecnologie UPS esistenti; ciò è stato reso possibile da un simulatore dedicato, sviluppato specificamente per questo scopo, che incorpora una serie di parametri tra cui le condizioni di rete, l'architettura UPS, le prestazioni e l'algoritmo UPS. Data la disponibilità di dati di rete reali e le specifiche dell'architettura, è stata eseguita la simulazione e sono state calcolate le prestazioni operative medie dell'UPS in ciascuna modalità operativa, considerando simultaneamente la potenza in ingresso per ottenere la dissipazione totale di energia in un anno. Le prestazioni medie ottenute sono riportate nella tabella seguente e vengono utilizzate per calcolare e confrontare il risparmio energetico delle tre diverse tecnologie.
Tecnologia standard esistente:
questo tipo di UPS con tecnologia trasformatore-in-inverter garantisce un'efficienza a pieno carico del 92,5%. In un ambiente controllato con aria condizionata, la dissipazione di energia a pieno carico in un anno è di 8694 MWh.
Tecnologia all'avanguardia con modalità eco.
Questo tipo di UPS con modalità eco e doppia conversione intelligente migliora significativamente le prestazioni del sistema, raggiungendo fino al 97%. Un UPS che opera in modalità doppia conversione intelligente ha un'efficienza operativa media del 95%, con un risparmio energetico di 220 MWh rispetto alla tecnologia standard, garantendo così un notevole risparmio sui costi.
Tecnologia Trinergy™:
la rivoluzionaria architettura tecnologica di Trinergy™ offre vantaggi straordinari.
In base alle diverse condizioni di carico, Trinergy™ è in grado di selezionare in modo intuitivo la modalità operativa più efficiente per ridurre al minimo il consumo energetico, garantendo una qualità dell'energia perfetta e raggiungendo un'efficienza media fino al 98%. Ciò si traduce in risparmio energetico, riduzione dei costi e minore impatto ambientale.
In conclusione,
quando si tratta di garantire la sicurezza di apparecchiature e processi critici, possiamo affermare che attualmente abbiamo due tecnologie principali tra cui scegliere: la tecnologia standard esistente e la tecnologia all'avanguardia con modalità ecologica. Ciascuna di queste tecnologie ampiamente diffuse presenta vantaggi e svantaggi in termini di efficienza energetica.
Le funzioni standard degli UPS in modalità a doppia conversione offrono una protezione ottimale del carico in tutte le situazioni, sia in caso di lievi fluttuazioni di tensione che di interruzioni di corrente significative. In entrambi i casi, l'energia dissipata dall'UPS è equivalente. La domanda è: sarebbe possibile avere un UPS in grado di adattarsi separatamente a due condizioni opposte della rete elettrica consumando meno energia, ovvero riducendo la dissipazione di energia durante le lievi variazioni di tensione?
Il principale limite di un UPS dotato di tecnologia all'avanguardia e modalità eco è che, quando opera in modalità eco, non è in grado di effettuare alcun condizionamento, nemmeno in caso di disturbi di lieve entità. Inoltre, l'inverter non può condizionare le armoniche o compensare le fluttuazioni di tensione perché deve passare alla modalità a doppia conversione (doppia conversione intelligente) per condizionare il carico, il che a sua volta causa una notevole dissipazione di energia.
Ciò può essere ulteriormente dimostrato dai dati estratti dal sistema di monitoraggio e diagnostica LIFE™.net, che mostrano chiaramente come le perturbazioni più frequenti presenti nella rete non siano guasti totali dell'alimentazione primaria, bensì, al contrario, condizioni di fuori tolleranza o variazioni di rete; pertanto, affinché un UPS funzioni con la migliore tecnologia disponibile e in modalità eco, dovrebbe passare costantemente alla modalità a doppia conversione per consentire il massimo controllo della potenza.
La tecnologia Trinergy™, introdotta in precedenza, offre vantaggi straordinari:
non solo le prestazioni di ciascuna modalità operativa esistente sono state massimizzate, ma è stato anche creato un nuovo algoritmo che consente all'UPS di monitorare l'ambiente operativo e selezionare intuitivamente la modalità di funzionamento per la massima protezione del carico e il massimo risparmio energetico, mantenendo al contempo prestazioni ottimali.
Questa comprovata e unica prestazione di Trinergy™ non è l'unica caratteristica degna di nota. Grazie a
una combinazione unica di tecnologie, Trinergy™ rappresenta anche la migliore soluzione attualmente disponibile per la riduzione dei costi operativi.
Infatti, come abbiamo dimostrato nella nostra analisi, un UPS che opera in modalità standard non offre praticamente alcun risparmio energetico o di costi, poiché funziona permanentemente in modalità a doppia conversione.
Se si confronta la tecnologia standard con la migliore tecnologia della categoria con modalità eco, il risparmio energetico ed economico è notevole. Infine, l'UPS basato sulla tecnologia Trinergy™, che integra tutte le tecnologie esistenti in un'unica soluzione, dimostra di offrire un risparmio energetico doppio rispetto a un UPS che utilizza la migliore tecnologia disponibile sul mercato.
Trinergy™ rappresenta una vera rivoluzione per il settore degli UPS a livello mondiale.
Appendice: Metodo di calcolo del risparmio energetico
Per calcolare il valore del risparmio energetico di un UPS, dobbiamo innanzitutto calcolare la quantità di energia dissipata da ciascuna unità.
L'ampia gamma di UPS attualmente disponibili sul mercato utilizza tecnologie diverse; pertanto, ognuno di essi dissipa una quantità di energia diversa.
Per calcolare la dissipazione di energia di un UPS dobbiamo partire dall'efficienza dell'unità, che in realtà è l'espressione dell'energia che il
sistema dissipa.
Formula: 1
La formula sopra riportata, Efficienza = potenza attiva in uscita divisa per potenza attiva in ingresso, viene utilizzata per calcolare l'efficienza dell'UPS.
Il risparmio energetico può quindi essere calcolato come la differenza tra l'energia dissipata da ciascun UPS.
L'energia dissipata (kWh) dall'UPS in un periodo di un anno si ottiene utilizzando la seguente formula:
Formula: 2
E (kWh) = Pi (kW) x 365 (giorni all'anno)
x 24 (ore al giorno)
x 1,7 (coefficiente di condizionamento dell'aria)
Utilizzando questa formula, la potenza in ingresso (Pi) può essere calcolata dividendo la potenza di uscita attiva per l'efficienza.
Inoltre, per ottenere un risultato più realistico, è stato applicato un coefficiente di condizionamento dell'aria di 1,7 a tutti i sistemi.
Per mantenere una temperatura controllata in un'installazione reale, è in genere necessario un sistema di condizionamento dell'aria. Logicamente, maggiore è l'energia dissipata dall'UPS, maggiore è il calore espulso e, di conseguenza, aumenta l'energia dissipata dal sistema di condizionamento dell'aria.
Per calcolare la dissipazione di energia nella nostra simulazione, abbiamo scelto un UPS da 600 kVA con una potenza di uscita attiva di 540 kW. Per ottenere la potenza in ingresso dell'UPS e quindi calcolare il risparmio energetico, è innanzitutto necessario conoscere l'efficienza delle diverse tecnologie confrontate.
Un UPS con una tecnologia standard esistente, operante in modalità a doppia conversione e collegato a un carico resistivo di 540 kW, ha un valore di efficienza fisso del 92,5%.
Per ottenere i valori di prestazione per la migliore tecnologia UPS della categoria e per la tecnologia Trinergy™, abbiamo utilizzato un simulatore dedicato, poiché queste tecnologie hanno diverse modalità operative che potrebbero avere prestazioni variabili a seconda delle condizioni di rete.
Questo simulatore ci permette di calcolare il risparmio energetico ottenibile con queste tecnologie. Utilizzando dati di rete reali, inseriamo le prestazioni, l'architettura e l'algoritmo sia della migliore tecnologia UPS disponibile sul mercato che della tecnologia UPS Trinergy™. Il
simulatore calcola automaticamente le prestazioni energetiche medie dell'UPS considerando la durata di funzionamento in ciascuna modalità operativa, in base alle condizioni di rete estratte dai sistemi di monitoraggio e diagnostica remota LIFE™.net.
Eseguendo la simulazione con la migliore tecnologia UPS disponibile, il simulatore calcola le prestazioni operative medie dell'UPS analizzando le condizioni di input e calcolando la durata di funzionamento in modalità a doppia conversione e in modalità eco durante l'anno.
Eseguendo la simulazione con la tecnologia Trinergy™, possiamo calcolare, in base alle effettive condizioni di rete inserite, la durata di funzionamento dell'UPS nelle diverse modalità, ottenendo così le prestazioni operative medie complessive.
In conclusione, il valore del risparmio energetico è stato calcolato come la differenza tra l'energia dissipata da ciascun UPS (calcolata utilizzando la potenza di uscita attiva del carico) e le prestazioni operative medie ottenute utilizzando il simulatore dedicato.
Articolo fornito da Emerson Network Power
