Processo di produzione dei cavi per impianti eolici
L'energia eolica è diventata un pilastro fondamentale nella transizione verso l'energia pulita. Dietro le imponenti turbine eoliche e le loro pale rotanti si cela una complessa infrastruttura elettrica che garantisce la distribuzione sicura ed efficiente dell'elettricità prodotta. Uno dei componenti più cruciali è il cavo. I cavi per gli impianti eolici non sono semplici "conduttori elettrici ordinari", ma sono progettati specificamente per resistere a condizioni ambientali estreme, vibrazioni, movimenti dinamici ed esposizione all'acqua salata nelle turbine offshore. Questo articolo esplora il processo di produzione dei cavi per gli impianti eolici, dalla progettazione al collaudo di qualità.
1. Comprendere i requisiti applicativi per le turbine eoliche
Prima di iniziare la produzione, i produttori di cavi effettuano un'analisi delle esigenze basata sulla posizione e sulla funzione del cavo. Nei sistemi eolici, i cavi sono generalmente suddivisi in diverse categorie: cavi all'interno della navicella (alloggiamento del generatore), cavi sulla torre, cavi per il sistema di beccheggio e imbardata (angolo delle pale e orientamento della turbina) e cavi tra la turbina e la sottostazione (cavi inter-array e di esportazione, in particolare nei parchi eolici offshore).
Ogni categoria ha requisiti diversi. I cavi che attraversano le torri devono resistere a carichi meccanici e attrito. I cavi di beccheggio/imbardata devono resistere a flessioni e torsioni ripetute. I cavi per esterni devono resistere ai raggi UV, all'ozono, all'umidità e alle variazioni di temperatura. Nelle applicazioni offshore, la resistenza alla corrosione dell'acqua di mare e la protezione contro la penetrazione dell'acqua sono requisiti particolarmente stringenti. Questa fase di analisi determina la progettazione del conduttore, il materiale isolante, il tipo di schermo, l'armatura e la scelta della guaina esterna.
2. Progettazione tecnica: conduttori, isolamento e struttura del cavo
Una volta definiti i requisiti, il team di ingegneri elabora le specifiche del cavo. La scelta del materiale conduttore ricade in genere tra rame (Cu) e alluminio (Al). Il rame offre una maggiore conduttività e una buona flessibilità, caratteristiche che lo rendono comunemente utilizzato per cavi di controllo, cavi di strumentazione e cavi soggetti a movimento. L'alluminio è più leggero ed economico, e viene spesso impiegato nei cavi di alimentazione di grande sezione per la trasmissione di energia.
Altri parametri importanti includono:
– Area della sezione trasversale del conduttore (mm²) per determinare la capacità di trasporto di corrente.
– Tensione nominale (ad esempio 0,6/1 kV per i cavi BT, 6–35 kV per i cavi MT).
– Classe di flessibilità del conduttore, in particolare per cavi dinamici.
– Materiali isolanti come XLPE (polietilene reticolato), EPR/HEPR o PVC speciale.
– Schermatura elettromagnetica per cavi di media tensione per il controllo dei campi elettrici.
– Armatura (filo d'acciaio o nastro d'acciaio, oppure armatura in filo di alluminio) per la protezione meccanica, in particolare per cavi sotterranei/marini.
– Rivestimento esterno (ad esempio in PE, LSZH o poliuretano/PU) per la resistenza all'abrasione e agli agenti atmosferici.
Questo progetto deve essere conforme agli standard di settore e ai requisiti di certificazione, come IEC/EN, e alle specifiche del produttore della turbina (OEM).
3. Processo di trafilatura del filo
La fase di produzione fisica inizia generalmente con materie prime metalliche sotto forma di barre di rame o alluminio. Le barre vengono poi trafilate attraverso una serie di matrici per ottenere il diametro del filo desiderato. Questo processo è chiamato trafilatura.
Durante la trafilatura, il filo subisce una deformazione plastica e può riscaldarsi, rendendo necessaria la lubrificazione e il controllo della temperatura. Per il rame, si utilizza spesso un processo di ricottura (riscaldamento controllato) per rendere il filo duttile e meno fragile. Il risultato finale di questo processo sono fili sottili di diametro uniforme, che costituiscono gli elementi base per la formazione dei conduttori.
4. Formazione del conduttore (intreccio)
I fili trafilati vengono poi combinati in un unico conduttore mediante un processo di trefolatura. Esistono due approcci generali:
– Nella trefolatura concentrica, il filo è disposto in cerchio a strati.
– Trefolatura a fune, più flessibile, adatta ad applicazioni soggette a frequenti movimenti/vibrazioni.
Per i cavi delle turbine eoliche, per le sezioni dinamiche, come il percorso verso il sistema di controllo del passo delle pale, si opta spesso per una trefolatura più flessibile. In questo processo, una macchina trefolatrice attorciglia e intreccia il filo con un passo specifico (lunghezza della bobina). Il passo corretto è fondamentale per ottenere un conduttore resistente ma flessibile. Una volta completato il conduttore, si esegue in genere un test di resistenza elettrica per garantire che la conduttività soddisfi le specifiche.
5. Estrusione dell'isolamento: rivestimento e protezione del conduttore
I conduttori entrano quindi nella linea di estrusione dell'isolamento, che consiste nel rivestire i conduttori con un materiale polimerico mediante un estrusore. I materiali isolanti comunemente utilizzati nei sistemi eolici sono XLPE o EPR, grazie alla loro resistenza al calore e alle buone proprietà dielettriche.
Nei cavi di media tensione, il processo di isolamento può prevedere diversi strati:
1. Schermo conduttore (semiconduttore) per uniformare il campo elettrico sulla superficie del conduttore.
2. Strato isolante (XLPE/EPR) come isolamento principale.
3. Schermo isolante (semiconduttore) per controllare il campo elettrico e facilitare l'installazione dello schermo metallico.
Il controllo dello spessore dell'isolamento è fondamentale. Uno spessore insufficiente rischia di causare scariche elettriche, mentre uno spessore eccessivo aumenta i costi e rende il cavo meno flessibile. Il raffreddamento dopo l'estrusione avviene gradualmente, spesso utilizzando una vaschetta d'acqua a temperatura controllata per prevenire difetti del materiale (vuoti, bolle o microfratture).
6. Installazione dello schermo e della protezione
Per i cavi multimetro (MV) e alcuni cavi di controllo sensibili, si utilizza una schermatura metallica (solitamente in rame) sotto forma di nastro o filo. La schermatura funge da percorso per le correnti di guasto e agisce come schermo elettromagnetico. Per i cavi installati in ambienti con turbine eoliche e numerosi dispositivi elettronici, la schermatura contribuisce a ridurre le interferenze.
Il processo di installazione dello schermo viene eseguito utilizzando una macchina per l'applicazione di nastro o la trecciatura. La densità della trama, la sovrapposizione del nastro e la continuità dello schermo vengono testate per garantire che soddisfino i requisiti di sicurezza e di compatibilità elettromagnetica (EMC).
7. Corazzatura: protezione meccanica per condizioni estreme
Per i cavi soggetti a elevate sollecitazioni meccaniche, come quelli interrati o sottomarini, viene aggiunta un'armatura. Nei sistemi offshore, l'armatura è quasi sempre necessaria perché il cavo deve resistere alla tensione di installazione, agli urti e ai potenziali danni causati dalle ancore o dall'attrito con il fondale marino.
L'armatura può essere:
– Armatura in filo d'acciaio (SWA) ad alta resistenza alla trazione.
– Armatura in nastro d'acciaio (STA) per la protezione contro la pressione.
– Armatura in filo di alluminio in alcuni modelli per ridurre il rischio di corrosione galvanica.
L'armatura viene installata utilizzando una macchina speciale che avvolge in modo uniforme il filo/nastro. Successivamente, viene solitamente aggiunto uno strato di base per evitare che l'armatura danneggi gli strati sottostanti.
8. Estrusione del rivestimento esterno: resistenza agli agenti atmosferici, ai raggi UV e agli agenti chimici.
La fase successiva è l'estrusione del rivestimento esterno. Nelle turbine eoliche, il rivestimento esterno deve essere in grado di resistere a:
– Radiazioni UV (specialmente sulla terraferma),
– ozono e condizioni meteorologiche estreme,
– elevata umidità e condensa,
– alcuni oli e lubrificanti nella navicella,
– abrasione dovuta a vibrazioni o attrito.
I materiali della guaina sono spesso PE (polietilene) per una buona resistenza agli agenti atmosferici, LSZH (a bassa emissione di fumi e senza alogeni) per la sicurezza antincendio in spazi chiusi o PU per un'elevata resistenza all'abrasione in applicazioni dinamiche. In questa fase vengono inoltre applicate le marcature (codice del cavo, sezione, tensione, anno di fabbricazione e standard).
9. Test e certificazione di qualità
I cavi per i sistemi eolici devono essere sottoposti a una serie di test in fabbrica (test di routine e test di tipo). Alcuni test comuni includono:
– Prova di resistenza del conduttore e controllo dimensionale.
– Test ad alta tensione (hipot) per verificare che l'isolamento non sia danneggiato.
– Prova di scarica parziale (solo media tensione) per rilevare microdifetti nell'isolamento.
– Prove di trazione, flessione, torsione e fatica per cavi dinamici.
– Test di invecchiamento termico, resistenza ai raggi UV e resistenza all'acqua e all'umidità.
– Per i cavi sottomarini: prova di penetrazione dell'acqua, resistenza alla corrosione e, talvolta, prova di pressione.
Se il cavo è destinato a un progetto specifico, il produttore predispone anche la documentazione relativa alla tracciabilità delle materie prime, i rapporti di prova e i certificati di conformità agli standard richiesti.
10. Imballaggio, stoccaggio e consegna al cantiere.
Dopo aver superato il test, il cavo viene avvolto su un tamburo di legno o acciaio di un diametro specifico per evitare piegature eccessive. Per i cavi lunghi, come quelli per l'esportazione offshore, il trasporto può essere effettuato anche tramite navi speciali dotate di un sistema a carosello. Anche lo stoccaggio richiede particolare attenzione alla temperatura, all'esposizione diretta alla luce solare e alla posizione del tamburo per prevenire la deformazione del cavo.
Le procedure di movimentazione e posa dei cavi in loco sono cruciali per la loro durata. Anche i cavi più sofisticati possono danneggiarsi se si supera il raggio di curvatura, se si applica una tensione eccessiva o se l'estremità del cavo non è fissata correttamente, consentendo all'umidità di penetrare nella struttura del cavo.
Chiusura
Il processo di produzione dei cavi per i sistemi eolici combina ingegneria dei materiali, rigoroso controllo di qualità e progettazione su misura per l'ambiente operativo della turbina. Dalla trafilatura alla trefolatura, dall'estrusione dell'isolamento all'installazione dello schermo, dall'armatura alla guaina esterna, ogni fase svolge un ruolo fondamentale nel garantire che il cavo possa trasmettere energia in modo sicuro, efficiente e duraturo. Con l'espansione dei parchi eolici onshore e offshore, la necessità di cavi più affidabili, flessibili e resistenti continuerà a crescere, rendendo la tecnologia dei cavi un elemento chiave per il futuro successo dell'energia eolica.
