DR. GAYLON S. CAMPBELL E IL DOTT. KEITH L. BRISTOW
Chi avrebbe potuto prevedere che un ingegnere elettrico avrebbe dovuto essere esperto di fisica del suolo? Queste conoscenze, tuttavia, stanno diventando sempre più critiche nella progettazione e nella realizzazione di sistemi sotterranei di trasmissione e distribuzione dell'energia. Perché? Il motivo è semplice. L'elettricità che scorre in un conduttore genera calore. La resistenza al flusso di calore tra il cavo e l'ambiente circostante provoca un aumento della temperatura del cavo. Aumenti moderati della temperatura rientrano nell'intervallo per il quale il cavo è stato progettato, ma temperature superiori alla temperatura di progetto riducono la durata del cavo. Quando le temperature dei cavi diventano troppo elevate, si verificano guasti catastrofici, come nel caso di Auckland, in Nuova Zelanda, nel 1998. Poiché il terreno si trova nel percorso del flusso di calore tra il cavo e l'ambiente circostante (e quindi fa parte della resistenza termica), le proprietà termiche del terreno sono una parte importante della progettazione complessiva.
I calcoli dettagliati necessari per progettare correttamente un sistema di cavi interrati sono noti da oltre 60 anni. Le procedure tipicamente utilizzate sono descritte in Neher e McGrath (1957) e più recentemente dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (1982). Questi calcoli possono essere eseguiti a mano, ma la maggior parte degli ingegneri oggi utilizza programmi informatici commerciali o casalinghi. I calcoli sono piuttosto dettagliati e generalmente si basano su una solida fisica o su un buon empirismo, fino a quando non si arriva al terreno. A quel punto i numeri scelti sono spesso quasi uno sparo nel buio. Poiché, anche in un sistema ben progettato, il terreno può rappresentare la metà o più della resistenza termica totale, gli ingegneri devono trattare questa parte con lo stesso rispetto che riservano ai cavi e ai condotti.
Da tempo esistono buone teorie che descrivono la resistività termica del terreno (de Vries, 1963; Campbell e Norman, 1998). Questi modelli si basano su modelli di miscelazione dielettrica e trattano la resistività complessiva come una combinazione parallela e ponderata delle resistività dei costituenti. Cinque costituenti sono importanti nel determinare la resistività termica del suolo. Si tratta di quarzo, altri minerali del suolo, acqua, materia organica e aria, in ordine crescente di resistività. I valori effettivi di questi materiali sono 0,1, 0,4, 1,7, 4,0 e 40 m C/W. Senza conoscere i fattori di ponderazione di questi materiali in un terreno o in un materiale di riempimento reale, quattro cose dovrebbero essere chiare:
Illustreremo alcuni di questi punti con degli esempi.
La Figura 1 mostra quanto sia importante la compattazione per ottenere una resistività termica accettabilmente bassa nei materiali di riempimento. Un valore spesso assunto per la resistività termica del terreno nei calcoli dei cavi interrati è 0,9 m C/W. Nessuna delle curve della Figura 1 raggiunge questo valore, nemmeno a densità molto elevate. La densità tipica di un terreno in grado di sostenere la crescita delle piante è di circa 1,5 Mg/m3. A questa densità, anche il terreno di quarzo ha una resistività più di 4 volte il valore ipotizzato. Dalla Figura 1 si possono trarre tre importanti osservazioni. In primo luogo, il materiale organico non è mai adatto a dissipare il calore di un cavo interrato, indipendentemente dalla sua densità.
In secondo luogo, la resistività termica dei materiali granulari asciutti, anche quando sono compattati a densità estrema, non è ideale per il riempimento dei cavi. In terzo luogo, gli spazi d'aria controllano il flusso di calore, quindi anche se i minerali di quarzo hanno una resistività quattro volte inferiore a quella dei minerali di argilla, la resistività complessiva dei due materiali è simile a parità di densità. Vale la pena ricordare che densità arbitrariamente elevate non sono ottenibili solo per compattazione. Le particelle di dimensioni uniformi si compattano fino a una determinata densità massima. Per raggiungere densità superiori senza schiacciare le particelle, si aggiungono particelle più piccole ai vuoti tra le particelle più grandi. Le densità più elevate si ottengono quindi utilizzando materiali ben classificati.
Anche se la resistività dell'acqua è più alta di quella dei minerali del suolo, è comunque molto più bassa di quella dell'aria. Se gli spazi dei pori del terreno sono riempiti di acqua anziché di aria, la resistività diminuisce. La Figura 2 mostra l'effetto dell'acqua. La densità è di circa 1,6 Mg/m3, molto inferiore ai valori più alti della Figura 1, ma con poca acqua le resistività sono ben al di sotto di 1 m C/W. Ora, con più acqua nei pori, l'effetto del quarzo è più pronunciato. La resistività del terreno organico, sebbene migliore di quella a secco, è ancora troppo alta per garantire una ragionevole dissipazione del calore per i cavi interrati.
Poiché la resistività termica varia così tanto con il contenuto d'acqua e il contenuto d'acqua nel terreno è così variabile, è ragionevole chiedersi quale contenuto d'acqua ci si può aspettare nei terreni di campo. Al di sotto e anche leggermente al di sopra di una falda freatica, il terreno è saturo (tutti i pori sono pieni d'acqua). In queste situazioni, si può essere certi che le resistività rimarranno ai valori più bassi possibili per la densità del terreno. Il contenuto minimo di acqua nella zona radicale delle piante in crescita varia in genere da 0,05 m3/m3 nelle sabbie a 0,1 o 0,15 m3/m3 per i terreni a tessitura più fine. Questi contenuti d'acqua corrispondono, approssimativamente, ai contenuti d'acqua della Figura 2 in corrispondenza dei quali la resistività inizia ad aumentare drasticamente. Questo è talvolta chiamato contenuto d'acqua critico ed è il contenuto d'acqua al di sotto del quale il flusso di vapore guidato termicamente in un gradiente di temperatura non sarà rifornito dal flusso di ritorno del liquido attraverso i pori del suolo. Questo punto è molto importante nella progettazione dei cavi interrati, perché quando il terreno intorno al cavo diventa così secco, il calore del cavo allontana l'umidità, asciugando il terreno intorno al cavo e aumentandone la resistività. Ciò comporta un ulteriore riscaldamento, che allontana ulteriore umidità. Può verificarsi una condizione di fuga termica.
È possibile ottenere resistività a secco inferiori a quelle indicate nella Figura 1 utilizzando materiali di riempimento appositamente progettati. È possibile versare in loco un Fluidized Thermal Backfill™ (FTB™). Ha una resistività a secco di circa 0,75 m C/W, che scende a meno di 0,5 m C/W quando è bagnato.
Sebbene sia possibile calcolare le proprietà termiche del terreno a partire dalle proprietà fisiche, di solito è più facile misurarle direttamente che eseguire i calcoli. I metodi sono forniti da ASTM (2000) e IEEE (1992). Il metodo accettato utilizza una fonte di calore lineare. In genere, un filo riscaldante e un sensore di temperatura sono collocati all'interno di un tubo di ago ipodermico di piccolo diametro, lungo circa 30 volte il suo diametro. La temperatura viene monitorata mentre l'ago viene riscaldato. In questo sistema a flusso di calore radiale, si stabilisce rapidamente uno stato stazionario e si può tracciare un grafico della temperatura rispetto al tempo log per ottenere una relazione rettilinea. La resistività termica è direttamente proporzionale alla pendenza della linea. Diverse aziende offrono strumenti adatti a misurare la resistività termica sia in campo che in laboratorio; le sonde possono essere lasciate in posizione per monitorare le proprietà termiche anche dopo l'installazione e l'uso del cavo.
Oltre alle questioni discusse in precedenza, ci sono diversi aspetti specifici del sito che devono essere presi in considerazione quando si progettano e si realizzano installazioni di cavi elettrici sotterranei. Tra questi, l'analisi del compromesso tra profondità dell'installazione, costo dell'installazione e stabilizzazione termica. Più i cavi vengono interrati in profondità, più l'ambiente termico è stabile. Ciò è particolarmente vero se le falde acquifere poco profonde e il flusso capillare ascendente determinano condizioni di relativa umidità intorno ai cavi. Anche le condizioni della superficie influiscono sullo scambio di acqua ed energia tra il suolo e l'atmosfera e, di conseguenza, sull'ambiente termico intorno ai cavi. Nelle città, la superficie sarà probabilmente coperta da strade, edifici, parchi o giardini, mentre nelle aree rurali il terreno nudo o la copertura vegetale saranno più comuni. È importante tenere conto delle condizioni della superficie e del suo impatto sull'ambiente termico sottostante, in particolare di qualsiasi cambiamento delle condizioni della superficie che potrebbe avere conseguenze indesiderate. L'aggiunta di vegetazione, ad esempio, potrebbe provocare un significativo inaridimento del suolo, con le potenziali conseguenze illustrate in precedenza. I terreni argillosi, in particolare, possono fessurarsi durante l'essiccazione, con conseguente formazione di vuoti d'aria intorno ai cavi. Occorre fare il possibile per evitare che ciò accada. I potenziali "punti caldi" lungo il percorso del cavo (come le zone di terreni sabbiosi ben drenati o le aree vegetate che potrebbero portare a una significativa essiccazione del suolo) dovrebbero ricevere particolare attenzione per garantire il successo a lungo termine di qualsiasi installazione.
Cinque sono i punti importanti che l'ingegnere elettrico dovrebbe trarre da questa breve discussione. In primo luogo, le proprietà termiche del terreno e del riempimento devono essere note per un'installazione sicura e di successo di un cavo elettrico sotterraneo. Non si può assumere con sicurezza un valore di 0,9 m C/W. In secondo luogo, la densità e il contenuto d'acqua svolgono un ruolo importante nel determinare la resistività termica. È necessario specificare la densità del materiale di riempimento e garantire, attraverso la progettazione e la gestione appropriata, che il contenuto d'acqua non possa scendere al di sotto del livello critico. In terzo luogo, i terreni naturali che supportano la crescita delle piante avranno sempre resistività molto più elevate rispetto ai materiali ingegnerizzati, a causa della loro minore densità e del contenuto d'acqua variabile, ma talvolta basso. In quarto luogo, sono disponibili materiali di riempimento ingegnerizzati in grado di garantire prestazioni termiche adeguate in tutte le condizioni. Quinto, la misurazione della conduttività termica, sia in campo che in laboratorio, è relativamente semplice e dovrebbe far parte di qualsiasi progetto di progettazione e installazione di cavi. Infine, ci sono diversi aspetti specifici del sito, come la profondità del posizionamento dei cavi, la gestione della vegetazione e dell'acqua del suolo, e la prevenzione di un'eccessiva essiccazione e di fessurazioni del terreno che potrebbero portare a vuoti d'aria, tutti aspetti che devono essere presi in considerazione quando si progettano e si realizzano installazioni di cavi elettrici sotterranei.
I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.
Standard, A. S. T. M. "D 5334-92: Metodo di prova per la determinazione della conducibilità termica di terreni e rocce tenere mediante procedura di sonda termica ad ago". Norme ASTM su DISC 4 (2000).
Campbell, Gaylon S. e John M. Norman. Introduzione alla biofisica ambientale. Springer Science & Business Media, 2012. Link al libro.
DeVries, D. A. "Proprietà termiche dei suoli. In 'Physics of Plant Environment' (Ed. WR van Wijk) pp. 210-235". (1963).
IEEE (1992) Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements. Istituto degli ingegneri elettrici ed elettronici, Inc. New York. Link all'articolo.
Commissione Elettrotecnica Internazionale (1982) Calculation of Continuous Current Ratings of Cables. Pubblicazione 287, 2a ed. Link all'articolo.
Neher, J. H. e M. H. McGrath. (1957) Calcolo dell'aumento di temperatura e della capacità di carico dei sistemi in cavo. AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. 76. Link all'articolo.
Non c'è modo di misurare le proprietà dei materiali umidi e porosi con il metodo dello stato stazionario (piastra protetta). Il metodo delle sorgenti di calore lineari transitorie, invece, è in grado di misurare le proprietà termiche dei materiali umidi e porosi e può persino misurare la conduttività termica e la resistività termica dei fluidi.
La comprensione della stabilità termica di un terreno può aiutare gli ingegneri energetici a progettare in modo più accurato i sistemi di distribuzione dell'energia elettrica per evitare il runaway termico.
Tra le migliaia di pubblicazioni peer-reviewed che utilizzano i sensori del suolo METER, nessun tipo emerge come il preferito. La scelta del sensore deve quindi basarsi sulle esigenze e sull'applicazione. Utilizzate queste considerazioni per identificare il sensore perfetto per la vostra ricerca.
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