Dati di campo provenienti da un impianto fotovoltaico saudita da 150 MW (4.200 elettrodi chimici, resistenza media del pad di 3,1 Ω) e spedizioni di esportazione in Medio Oriente/Africa/Sud-est asiatico: perché le aste di ancoraggio standard falliscono in terreni sabbiosi, rocciosi e lateritici e cosa dice invece il documento di appalto.

La conversazione su cui voglio basare questo articolo è avvenuta nell'agosto 2020, quando un'azienda EPC con sede a Madrid ha inviato la richiesta che si è trasformata nel progetto fotovoltaico saudita da 150 MW da cui provengono i dati sul campo di questo articolo. L'e-mail di richiesta chiedeva informazioni subarre di terra chimicaper un sito fotovoltaico su larga scala dove l'indagine sulla resistività del terreno aveva restituito valori compresi tra 1.500 e 2.200 Ω·cm. La relazione geotecnica era chiara, l'impresa EPC era competente e il sito si trovava in una fascia di caliche che l'ingegnere capo aveva già visto in un progetto più piccolo in Cile nel 2018, dove l'inventario delle aste irrigate aveva superato il margine di tensione di contatto nel terzo anno perché due visite di irrigazione programmate erano state saltate a causa delle restrizioni di viaggio dovute al COVID. Non voleva ripetere quell'esperienza. L'articolo che state leggendo è la tesi ingegneristica scaturita da quella e-mail: il quadro di riferimento per la tipologia di terreno che l'impresa EPC ha infine inserito nel documento di appalto e i dati di campo dell'impianto che lo ha prodotto.

Questa guida è destinata ai team di approvvigionamento che ricevono richieste simili: responsabili di progetti in Medio Oriente, Africa e Sud-est asiatico, il cui rapporto geotecnico è sul tavolo, il cui team di progettazione richiede un elettrodo chimico anziché un'asta di prova e il cui documento di appalto deve essere redatto entro le prossime due settimane. I tre tipi di terreno descritti di seguito — sabbia, roccia e laterite — sono quelli che compaiono più frequentemente in questi rapporti e le modalità di rottura sono specifiche per ciascuno. Ciò che rimane invariato è la risposta dal punto di vista dell'approvvigionamento.

1. Terreno sabbioso: il guasto del filo nell'aria

La sabbia asciutta è la più controintuitiva delle tre modalità di guasto. Sulla carta sembra un mezzo di messa a terra perfettamente adatto: è sciolta, drena bene ed è facile da perforare. La lettura del tester a quattro punte Wenner, tuttavia, racconta una storia diversa. La sabbia asciutta del deserto a 1 m di profondità presenta tipicamente valori compresi tra 3.000 e 10.000 Ω·cm; la sabbia delle dune a 1,5 m di profondità può superare i 20.000 Ω·cm nel caso peggiore. La ragione è di natura ionica, non meccanica: la sabbia asciutta ha un contenuto di argilla pressoché nullo e un contenuto di minerali disciolti quasi nullo che possano condurre la corrente lontano dalla superficie dell'asta.

Ciò che modifica il calcolo è l'umidità presente sulla superficie della barra. A barra di terra chimicaSi tratta di un nucleo rivestito di rame all'interno di un anello forato di 100 mm, riempito con un composto di riempimento igroscopico (tipicamente bentonite miscelata con solfato di magnesio). Il composto assorbe l'umidità ambientale dal terreno e dall'umidità stagionale, la trattiene a contatto con la superficie dell'asta e rilascia lentamente ioni nel volume di terreno circostante. Il risultato è che l'interfaccia asta-terreno si comporta come un terreno con una resistività di circa 200 Ω·cm anche quando il terreno circostante ha una resistività di 8.000 Ω·cm. La geometria dell'asta NEMA GR-1 rimane invariata; ciò che cambia è il contatto con il terreno.

Nelle nostre spedizioni in Medio Oriente tra il 2020 e il 2025, la resistenza media dei pad negli impianti con aste di terra chimiche nella fascia di sabbia da 2.000 a 8.000 Ω·cm si è attestata a 3,6 Ω contro un obiettivo di progetto di 5 Ω, senza ciclo di irrigazione. Gli impianti con sole aste infisse in siti adiacenti nella stessa fascia hanno registrato valori compresi tra 18 e 42 Ω al momento della messa in servizio e sono stati sottoposti a una nuova trivellazione entro il primo anno. L'asta aveva lo stesso diametro. La differenza risiedeva nel materiale di riempimento.

2. Terreno roccioso: il collo di bottiglia dello strato di caliche

Il sito saudita che ha prodotto i dati sul campo in questo articolo aveva uno strato di caliche a 3,5 m nell'angolo sud-ovest dell'array. La specifica originale prevedeva aste di 2,4 m, che funzionavano sul 94% dell'array. Il restante 6% si trovava su caliche troppo superficiali per essere attraversate con le aste e troppo resistive per essere ignorate. I sei pad in quell'angolo mostravano una resistenza superiore a 4,7 Ω al momento della messa in servizio, anche con l'asta estesa a 3,0 m. Abbiamo fatto due cose: siamo passati a elettrodi doppi a schema delta (due aste da 2,4 m disposte a triangolo attorno a ciascun pad) e abbiamo aggiuntomoduli di grafite colonnarepresso le piattaforme del trasformatore di media tensione in parallelo. Il test ripetuto dopo cinque anni ha dato un risultato peggiore di 4,7 Ω, entro il margine di progetto, perché i moduli hanno esteso lateralmente la superficie equipotenziale laddove il percorso verticale era bloccato.

I siti rocciosi rientrano in due categorie pratiche per il team di approvvigionamento. La prima è costituita da roccia fratturata con spazi riempiti di terreno: perforabile, ma l'asta entra in contatto solo con la frazione di terreno, non con la matrice rocciosa. La seconda è costituita da roccia intatta o caliche (terreno cementato da carbonato di calcio) alla profondità prevista per l'elettrodo o in prossimità di essa, dove la perforazione diventa impossibile o antieconomica. Il Medio Oriente e gli Stati Uniti occidentali presentano molti casi della seconda categoria; ampie zone dell'Arabia Saudita, del Qatar e degli Emirati Arabi Uniti hanno uno strato di caliche tra i 2 e i 4 metri, e ilISRIC - Informazioni mondiali sui suoliIl catalogo presenta lo stesso profilo in tutto il Sahel e nel Corno d'Africa, nelle zone stagionalmente aride.

Per una questione più approfondita relativa agli appalti in siti rocciosi,Centro dati FAO sulla classificazione dei suoliconsente a un team di approvvigionamento di ottenere la mappa regionale del suolo prima che l'appaltatore geotecnico si mobiliti: il modo più economico per scoprire se il sito si trova su un substrato di caliche o di granito alterato.Documento di riferimento FAO sui suoli mondialiè il riferimento di campo per i nomi delle classi di suolo che finiscono su un BES (Bid Evaluation Sheet).

3. Suolo lateritico: il problema delle variazioni stagionali

La laterite è il tipo di terreno in cui un'asta di prova standard supera la fase di collaudo ma poi, silenziosamente, non riesce a superare la finestra di tensione di contatto durante la stagione secca. La laterite è un terreno residuale ricco di ferro e alluminio, comune nell'Africa tropicale (Nigeria, Ghana, Kenya, Mozambico), nell'Asia meridionale (gran parte dell'India peninsulare, Sri Lanka, alcune zone del Bangladesh) e in alcune zone del Sud America (il nord-est del Brasile, la Guyana). Il profilo del terreno è ben drenato e presenta un elevato contenuto di ossido di ferro, che gli conferisce il caratteristico colore rosso-marrone.

Il problema elettrico è la variazione stagionale. Le indagini sul campo pubblicate sulla laterite dell'Africa occidentale riportano in genere una resistività durante la stagione delle piogge compresa tra 200 e 800 Ω·cm — perfettamente gestibile per un'asta di rilevamento standard — e una resistività durante la stagione secca superiore a 5.000 Ω·cm — al di fuori dell'intervallo di utilizzo per la stessa asta. L'asta di rilevamento rimane fissa; il terreno circostante sì. Un ciclo di irrigazione di 6 mesi può ristabilizzare la lettura della stagione secca, ma lo stesso problema di disciplina irrigua si ripresenta: una squadra di irrigazione che non si presenta al momento giusto lascia la piastra all'interno della banda di guasto della tensione di contatto per il resto della stagione secca.

Nello specifico, per i siti lateritici del Sud-est asiatico, si applica la stessa logica stagionale, seppur con una tempistica leggermente diversa: la stagione secca in Indonesia e nelle Filippine è più breve ma più intensa rispetto a quella dell'Africa occidentale, il che significa che la variazione di resistenza è compressa in un intervallo di tempo più ristretto. Il modello operativo del sistema chimico-terroso con barre di terra (riempimento che trattiene l'umidità, senza ciclo di irrigazione) funziona in entrambi i casi.

4. Cosa dice il documento di appalto

Per i tre tipi di terreno sopra descritti, la decisione ingegneristica è la stessa: l'asta di infissione standard non è il prodotto adatto. Il documento di appalto deve specificare quale lo sia.

Tre controlli in fase di approvvigionamento fanno la differenza tra una specifica che risolve il problema e una specifica che lo crea.

1. Rapporto di prova di tipo allegato all'ordine di acquisto.Un'asta di messa a terra chimica non è solo il tubo di rame, ma anche la composizione chimica al suo interno. Il fornitore deve fornire un rapporto di prova che attesti quattro proprietà: fattore di riduzione della resistività all'umidità di riferimento, stabilità ionica a lungo termine a 60 °C / 30 giorni, ritenzione di umidità dopo 90 giorni di essiccazione e conformità ambientale secondo la fase ESIA. Abbiamo perso un lotto del 2019 a causa di una miscela di cloruro di sodio (il cloruro attacca i nuclei rivestiti di rame all'interno della guaina) e il lotto del nostro fornitore del 2022 non ha superato il test di stabilità ionica con una ritenzione del 65%, al di sotto della nostra soglia interna dell'80%, motivo per cui abbiamo qualificato una linea di compounding interna. Il fornitore che non è in grado di fornire tale rapporto è lo stesso che si presenta alla fine del secondo anno con un'e-mail in cui annuncia "una nuova mescola migliorata".
2. Lo standard del connettore è bloccato allo standard IEEE 837.I morsetti meccanici non superano il test della corrente impulsiva inNorma IEC 62561-1e non dovrebbe essere utilizzato in progetti su larga scala. Lo standard del connettore è la parte della specifica che protegge l'apparecchiatura per l'intera durata di vita prevista di 25 anni.
3. Geometria dell'asta perNEMA GR-1.Diametro da 17,2 mm a 25,4 mm, spessore del rivestimento in rame ≥ 254 µm. Lo spessore del rivestimento è fondamentale per i carichi impulsivi (terminazioni ESE, piazzole MT): un rivestimento sottile si guasta per primo.

5. Chiusura: cosa deve chiedere prima l'ufficio acquisti

La centrale saudita da 150 MW citata all'inizio di questo articolo ha registrato una resistenza media dei pad di 3,1 Ω contro un obiettivo di progetto di 5 Ω al test di verifica effettuato dopo cinque anni, con il pad peggiore a 4,7 Ω nell'angolo sud-ovest, dove la caliche ha interrotto la spinta verticale. Nessuno di questi valori era presente come argomento di gara quando l'EPC di Madrid ha inviato l'e-mail di richiesta informazioni nell'agosto 2020: sono il risultato dell'aver inserito nello stesso documento la composizione chimica del materiale di riempimento, lo standard dei connettori, la geometria delle barre e la riorganizzazione della sequenza target del terreno, lasciando poi che la squadra di installazione svolgesse il lavoro.

Se sei il proprietario di un progetto in Medio Oriente, Africa o Sud-est asiatico e il documento di approvvigionamento è aperto, la domanda che determina se il progetto rimane entro la finestra di progettazione per i prossimi 25 anni non è "quale asta devo acquistare", ma "qual è la resistività del terreno alla profondità prevista dell'elettrodo e quale delle tre modalità di guasto sopra indicate si applica". Ottieni prima la risposta relativa al terreno; la risposta relativa al prodotto seguirà. La domanda di approvvigionamento è quindi quale delle due famiglie di prodotti:barra di terra chimica or modulo di grafite a colonna(o entrambi, nei siti più difficili) — si adatta alla fascia del terreno e al limite di profondità. La pagina completa della categoria è disponibile all'indirizzo/elettrodo di messa a terra chimico/ha le opzioni di geometria e ilI 5 migliori produttori di barre di messa a terra a ioni elettrolitici per il 2025Il blog contiene la lista dei fornitori preselezionati.

Per un pacchetto di campioni e un report di test di tipo a quattro proprietà su un progetto specifico, il percorso più veloce è ilpagina dei contattiI campioni destinati ai progetti in Medio Oriente, Africa e Sud-est asiatico vengono generalmente spediti dalla fabbrica entro la stessa settimana, con risposte tecniche entro un giorno lavorativo.