Alimentazione da terra: come funziona, standard e applicazioni marine

Che cos'è l'alimentazione da terra?

Alimentazione da banchina - noto anche come cold ironing, alimentazione marittima alternativa (AMP) o alimentazione elettrica a terra (OPS) - è la fornitura di energia elettrica da una connessione alla rete terrestre a una nave mentre è ormeggiata in un porto o marina. Invece di far funzionare motori ausiliari diesel a bordo per generare elettricità per i carichi dell’hotel (illuminazione, HVAC, refrigerazione, sistemi di navigazione e strutture per l’equipaggio) durante i soggiorni portuali, la nave spegne i suoi generatori e trae energia direttamente dall’infrastruttura elettrica di terra attraverso una connessione standardizzata.

Il termine "stiratura a freddo" risale a un'era precedente delle navi a vapore, quando tutti i macchinari, comprese le caldaie e i motori in ferro, si raffreddavano durante gli scali portuali una volta che l'energia costiera prendeva il sopravvento. Nel contesto moderno, il vantaggio è soprattutto ambientale ed economico: una grande nave portacontainer o una nave da crociera all'ormeggio può consumare 1–5 MW di potenza ausiliaria , il tutto generato da motori diesel che emettono NOₓ, SOₓ, particolato e CO₂ direttamente nell'ambiente portuale. L’energia da terra elimina completamente queste emissioni all’ormeggio, sostituendole con l’elettricità della rete che, a seconda del mix energetico nazionale, comporta un’intensità di carbonio sostanzialmente inferiore.

I porti della California, del Nord Europa e della Cina sono stati i primi ad adottarlo su larga scala, spinti dalla pressione normativa delle autorità per la qualità dell’aria. Il Il regolamento marittimo FuelEU dell'UE e quello rivisto Regolamento UE sulle infrastrutture per i combustibili alternativi (AFIR) ora impongono la fornitura di energia elettrica da terra nei principali porti TEN-T per navi portacontainer, navi passeggeri e petroliere entro il 2030, accelerando l’adozione globale delle infrastrutture di cold ironing.

Come funziona un sistema di alimentazione da banchina

Un sistema di alimentazione da terra completo coinvolge le infrastrutture sia sul lato del porto che su quello della nave, collegate tramite un'interfaccia standardizzata. La catena elettrica dalla rete al quadro della nave prevede diverse fasi di conversione e protezione.

Infrastrutture del porto

La porta installa a convertitore di frequenza e sottostazione di trasformazione presso o vicino all'ormeggio. Ciò è necessario perché le navi utilizzano i loro sistemi elettrici a 60 Hz (lo standard per la maggior parte delle navi commerciali costruite secondo le norme della convenzione SOLAS americana o internazionale) o a 50 Hz (navi europee), indipendentemente dalla frequenza della rete nazionale del porto. Il convertitore di frequenza, in genere un'unità statica a stato solido che utilizza la conversione CA-CC-CA, accetta l'alimentazione di rete alla frequenza locale e fornisce la frequenza della nave richiesta alla tensione corretta. Le tensioni di uscita per le navi ad alta potenza sono tipicamente 6,6 kV o 11 kV per ridurre al minimo la corrente e le perdite del cavo lungo la distanza di collegamento in banchina.

Dalla sottostazione, l'energia viene instradata a a scatola di connessione a terra (SCB) o piedistallo montato sulla parte anteriore della cuccetta. L'SCB fornisce il punto di connessione fisica, il quadro di protezione (interruttore automatico e protezione dai guasti a terra), la misurazione e il sistema di gestione dei cavi: un avvolgicavo retrattile, un cestello per cavi o una gru per la movimentazione dei cavi da terra a nave per collegamenti ad alta tensione di grandi dimensioni.

Attrezzatura a bordo nave

La nave è dotata di a pannello della presa di corrente del puntello — generalmente situato sul ponte principale o sul ponte superiore vicino all'area del collettore — contenente il quadro ad alta tensione di bordo, il trasformatore di isolamento (in alcune configurazioni), il controller di gestione dell'alimentazione e la presa di ingresso standardizzata. Una volta collegato, il sistema di gestione dell'energia della nave esegue un controllo di sincronizzazione per abbinare la fase, la tensione e la frequenza dell'alimentazione da terra alla sbarra collettrice interna della nave prima di trasferire il carico e spegnere i generatori ausiliari. Questo trasferimento è gestito automaticamente dal sistema di gestione dell'energia (PMS) per prevenire l’interruzione dei carichi critici.

Alimentazione da terra a bassa tensione per piccole imbarcazioni e porti turistici

Per le navi da diporto, i piccoli traghetti e le imbarcazioni da lavoro, l'energia da terra viene fornita generalmente a bassa tensione 230V monofase o 400V trifase a 50 Hz o 120 V/240 V a 60 Hz nei porti turistici del Nord America. I piedistalli Marina forniscono prese con contatore individuale da 16 A a 125 A, sufficienti per imbarcazioni con carichi alberghieri fino a circa 50 kW. Il collegamento viene effettuato tramite cavi di alimentazione da banchina flessibili con connettori twist-lock o spine e prese CEI 60309 (industriali) adatti all'uso all'aperto e in prossimità di acqua salata.

Norma di alimentazione da terra e tipi di connettori

L’interoperabilità tra navi di diversi stati di bandiera e porti di tutto il mondo richiede specifiche di connessione standardizzate. Lo standard internazionale principale che regola le infrastrutture di stiratura a freddo ad alta potenza è IEC/ISO/IEEE 80005-1:2019 , che riguarda i sistemi di collegamento a terra ad alta tensione per navi con un fabbisogno energetico pari o superiore a 1 MW. Gli standard complementari riguardano le connessioni delle utenze, i protocolli di comunicazione e gli interblocchi di sicurezza.

La norma IEC 80005-1 specifica non solo i parametri elettrici ma anche quelli protocollo di comunicazione tra nave e riva (basato su IEC 61850), sequenze di interblocchi di sicurezza, requisiti di gestione dei cavi e geometria del connettore per prese da terra ad alta tensione. La sequenza definita del connettore, in cui il pin di terra si forma per primo e si rompe per ultimo, è un requisito di sicurezza non negoziabile che impedisce la formazione di archi sui conduttori sotto tensione durante la connessione e la disconnessione sotto carico.

Vantaggi ambientali e operativi dell'energia da terra

Le ragioni ambientali a favore dell’energia da terra sono ben consolidate e quantificate. Una grande nave da crociera con motori diesel ausiliari all'ormeggio produce circa 450 kg di CO₂ all'ora , insieme a quantità significative di NOₓ e particolato a livello delle banchine, che incidono direttamente sui lavoratori portuali, sui residenti nelle vicinanze e sulla qualità dell’aria urbana. Sostituendola con l’energia elettrica della rete costiera, anche da una rete con un’intensità di carbonio moderata, in genere si riducono le emissioni di CO₂ del 50-90% per ogni scalo in porto ed si eliminano praticamente tutte le emissioni di NOₓ e PM nel luogo di ormeggio.

Anche i vantaggi operativi per gli operatori navali sono significativi. Il funzionamento dei motori diesel ausiliari accumula ore di funzionamento, il fattore principale degli intervalli di revisione e del consumo di pezzi di ricambio. Una nave che effettua 100 scali all'anno, ciascuno della durata media di 12 ore, si accumula 1.200 ore di motore ausiliario all'anno solo all'ormeggio. La stiratura a freddo elimina queste ore, allungando gli intervalli di revisione e riducendo il consumo di carburante. Per gli operatori su rotte in cui le tariffe dell’energia elettrica da terra sono competitive con i costi del carburante, come avviene sempre più nei porti europei, il cold ironing offre anche un risparmio diretto sui costi di viaggio.

Gli operatori portuali beneficiano delle infrastrutture elettriche di terra come differenziatore commerciale e strumento per attrarre traffico marittimo regolamentato dal punto di vista ambientale. I porti che non possono offrire strutture per la stiratura a freddo corrono un rischio crescente di esclusione dagli itinerari di scalo poiché le normative sulle emissioni nei mercati chiave – in particolare UE, California e Cina – inaspriscono i requisiti per le navi all’ormeggio. L’investimento nelle infrastrutture elettriche costiere si è quindi spostato da un’iniziativa di sostenibilità a un requisito strategico di competitività portuale nei principali mercati dei container e delle crociere.

Alimentatore da terra per imbarcazioni più piccole e applicazioni portuali

Oltre alla navigazione commerciale, l'alimentazione elettrica da terra è un'utilità standard nei porti turistici, nei porti turistici e negli ormeggi di piccole navi commerciali. Per le navi da diporto e commerciali leggere, il sistema di alimentazione da terra è costituito da a piedistallo misurato su ciascun ormeggio fornendo una o più prese di corrente da 16 A, 32 A o 63 A, sufficienti per caricare la batteria, aria condizionata, elettrodomestici della cucina e sistemi di sentina senza utilizzare un generatore o un inverter.

Le considerazioni chiave per il collegamento dell'alimentazione a terra di piccole imbarcazioni includono:

• Polarità e dispersione a terra — la polarità errata nei collegamenti di alimentazione da banchina costituisce un pericolo per la sicurezza; sul pannello dell'imbarcazione deve essere installato un indicatore di polarità o un monitor dell'alimentazione da terra.
• Isolamento galvanico — un isolatore galvanico o un trasformatore di isolamento previene la corrosione da corrente vagante sugli accessori metallici subacquei causata dalla corrente che scorre attraverso il conduttore di terra della riva tra navi che condividono lo stesso sistema del porto.
• Classificazione del cavo di alimentazione da banchina — il cavo deve essere dimensionato per la corrente di carico massima e per il servizio esterno, in prossimità di acqua salata. I cavi sottodimensionati con isolamento danneggiato sono una delle principali cause di incendi elettrici nei porticcioli.
• Compatibilità di frequenza — Le navi che si spostano tra regioni con frequenze di rete diverse (50 Hz contro 60 Hz) devono verificare che tutti i carichi collegati, in particolare i motori CA e i caricabatterie, siano classificati per entrambe le frequenze prima del collegamento.