Un’infrastruttura tanto complessa, quanto vitale, per la fornitura di energia elettrica necessaria alla nazione. Anni di sviluppo tecnologico permettono ogni giorno, in maniera capillare, di raggiungere con linee elettriche a diversi valori di tensione tutte le utenze sparse sul territorio.
Una vasta rete di opere di Ingegneria, spesso realizzate in ambienti estremi, permette di avere un apparato formato da centrali di produzione, conduttori, tralicci, stazioni di trasformazione, tutto con l’obiettivo di trasmettere l’energia elettrica in corrente alternata in regime sinusoidale prodotta nelle centrali verso gli utenti finali.
Il sistema elettrico è definito come l’insieme delle macchine, apparecchiature e linee destinate alla produzione, trasformazione, trasmissione, distribuzione e utilizzazione dell’energia elettrica.
Il sistema elettrico è suddiviso in quattro sottosistemi
- Produzione
- Trasmissione
- Distribuzione
- Utilizzazione
Ognuno dei quali ha caratteristiche specifiche per garantire il corretto funzionamento dell’intero sistema.
Con circa 1.162.500 Km di linee di distribuzione e circa 451.000 cabine di trasformazione Alta Tensione / Media Tensione e Media Tensione/ Bassa Tensione, il sistema elettrico può essere immaginato come un apparato perfettamente ramificato su tutto il territorio nazionale, tanto da raggiungere con linee elettriche a diversi valori di tensione tutte le utenze dislocate sul territorio.
Un sistema a diversi livelli di tensione
Con una richiesta energetica crescente, dalla singola utenza residenziale passando per i grandi poli industriali, il sistema elettrico deve garantire la fornitura costante di energia elettrica, in corrente alternata, necessaria per il benessere sociale e la produttività.
Ogni carico, connesso alla rete elettrica, necessita ovviamente dell’idoneo valore di tensione di alimentazione, per questo, il sistema elettrico è diviso in livelli di tensione:
- Bassa Tensione ( BT) U ≤ 1.000V
- Media Tensione (MT) 1.000 V < U ≤ 30.000 V
- Alta Tensione (AT) 30.000 V < U ≤ 150.000V
- Altissima Tensione (AAT) U > 150.000V
Una configurazione cosi suddivisa per livelli di tensione, permette di realizzare linee di connessione idonee per ogni tipologia di carico potendo garantire la fornitura di energia elettrica su tutto il territorio nazionale. Nelle centrali di produzione è generata, mediante la rotazione di macchine elettriche chiamate Alternatori, l’energia elettrica attraverso la conversione di una forma energetica primaria come possono essere i combustibili fossili oppure l’energia cinetica di bacini d’acqua.
Essendo gli Alternatori delle macchine elettriche sottoposte a movimenti rotatori, il loro isolamento elettrico è particolarmente arduo all’aumentare della tensione. Per questo motivo, si preferisce generare energia elettrica a 30.000 V in Media Tensione e in seguito, attraverso l’utilizzo di trasformatori elevatori collegati in uscita dalle centrali, elevare la tensione fino a valori di 380.000 V.
Una rete elettrica, in Altissima Tensione, gestisce la trasmissione dell’energia elettrica dal sottosistema di produzione fino alle stazioni primarie. Con trasformatori riduttori, la tensione dell’energia elettrica è ridotta da 380.000 V a valori più bassi pari a 150.000 V, 132.000 V oppure 120.000 V per il collegamento elettrico al sottosistema di distribuzione. La struttura del sottosistema di trasmissione, garantisce inoltre punti di connessione per utenze con necessità di essere alimentate in Altissima Tensione.
Le stazioni primarie garantiscono il collegamento elettrico tra il sottosistema di trasmissione e il sottosistema di distribuzione. Con estensione capillare lungo tutto il territorio nazionale, il sottosistema di distribuzione è formato da linee elettriche di lunghezza ridotta rispetto alle linee di trasmissione. Il sottosistema di distribuzione può essere suddiviso in due sottosistemi, indicati rispettivamente come rete di distribuzione primaria in Alta Tensione e rete di distribuzione secondaria in Media Tensione.
La rete di distribuzione primaria, con tensione d’esercizio di 132.000 V o 150.000 V, è una rete di distribuzione in alta tensione; può essere definita anche come rete di sub-trasmissione. Dotata di nodi di connessione per alimentare grandi carichi industriali, la rete di distribuzione primaria ha una struttura molto ramificata sul territorio.
Attraverso le stazioni elettriche di conversione Alta tensione / Media tensione, è garantito il collegamento elettrico tra la rete di distribuzione primaria e secondaria. Quest’ultima, con tensione d’esercizio tra i 20.000 V e 15.000 V.
Infine, attraverso le cabine Media Tensione / Bassa Tensione, si garantisce il collegamento elettrico tra la rete di distribuzione secondaria e il sottosistema di utilizzazione per la connessione elettrica di tutte le utenze alimentate in bassa tensione.
Regolazione di frequenza, l’equilibrio tra la produzione e l’assorbimento energetico
Per garantire il corretto funzionamento dell’intero sistema elettrico, bisogna verificare costantemente l’equilibrio tra la produzione di energia elettrica e l’assorbimento energetico lungo la linea.
Le condizioni meteo, giorni della settimana, o semplicemente le diverse fasce orarie quotidiane sono variabili che determinano diversi valori di assorbimento energetico. Per questo motivo, è opportuno operare con una corretta pianificazione della gestione energetica della linea.
Un fondamentale indicatore di equilibrio del sistema elettrico è la frequenza della rete. In Italia, come in tutta Europa, la frequenza della rete elettrica è fissata a 50Hz ogni secondo. Ovviamente, il valore della frequenza elettrica della rete può subire delle oscillazioni.
Se l’assorbimento di energia elettrica è superiore alla produzione, la frequenza del sistema elettrico diminuisce al disotto dei 50 Hz. Al contrario, se il consumo di energia elettrica è inferiore alla produzione, la frequenza del sistema elettrico aumenta oltre i 50 Hz.
f < 50Hz Assorbimento superiore alla produzione
f > 50Hz Assorbimento inferiore alla produzione
Anche se piccole variazioni della frequenza, stimate intorno a ± 22mHz, sono ritenute del tutto fisiologiche in un sistema cosi complesso e articolato; la gestione e pianificazione del sistema elettrico deve essere in grado di ripristinare, in tempi brevi, la condizione di equilibrio del sistema elettrico quando avvengono condizioni di squilibrio tra la produzione e l’assorbimento energetico.
Energia di regolazione, una riserva per garantire la stabilità
Squilibri improvvisi tra produzione e assorbimento energetico, un guasto di una centrale di produzione o di una linea elettrica, sono variabili che generano una condizione d’instabilità nel funzionamento del sistema elettrico.
In queste condizioni è fondamentale poter intervenire rapidamente per ristabilire l’equilibrio di funzionamento. Per rendere possibile tutto questo, con tempi molto brevi, si usa l’energia di regolazione.
Si tratta di una “ riserva energetica ” garantita dalle centrali elettriche nazionali o estere, in grado di aumentare repentinamente la loro produzione per immettere nel sistema elettrico energia necessaria per ristabilire l’equilibrio.
Un salto nel passato per comprendere il presente
Per comprendere le origini del modello del sistema elettrico attuale, bisogna tornare in dietro nel tempo al lontano 1880. La città di New York, a fine 800, era illuminata da lampade a gas o petrolio.
Seppur efficaci a illuminare le strade della città, queste erano poco convenienti dal punto di vista della manutenzione. Come si può facilmente immaginare, richiedevano continui e costanti rifornimenti di combustibile, per alimentare la fiamma necessaria a generare la luce sufficiente per illuminare il tratto di strada in cui erano poste.
La rivoluzione, che ben presto diede un impulso fondamentale a migliorare lo stile di vita della società, arrivò dal genio dell’inventore statunitense Thomas Edison. Inventore e imprenditore dal fine intelletto, Edison a fine 800 realizzò il primo sistema elettrico per la produzione, distribuzione e utilizzo dell’energia elettrica in corrente continua necessario all’illuminazione delle strade di New York.
In poco tempo, le lampade a petrolio furono soppiantate dalle lampade a incandescenza più luminose e più performanti; da lì a poco una vera e propria rivoluzione tecnologica era destinata a cambiare radicalmente l’urbanizzazione della città. Attraverso le caldaie, alimentate a Carbone, della centrale elettrica di Pearl Street realizzata a sud di Manhattan, si produceva il vapore necessario per attivare le dinamo essenziali a generare energia elettrica in corrente continua.
La distribuzione dell’energia elettrica, con un valore di tensione di 110 V, era gestita attraverso una rete di cavi interrati in cunicoli realizzati sotto i marciapiedi. In pochissimo tempo, il modello di rete elettrica ideato da Edison permise di alimentare circa 1300 lampadine a incandescenza, illuminando le strade e gli edifici intorno a Wall Street.
Ben presto, con l’aumentare della richiesta d’illuminazione in diverse zone della città e l’esigenza di alimentare elettricamente uffici e residenze, il modello di sistema elettrico ideato da Edison iniziò a mostrare grossi limiti.
Essendo il sistema elettrico ideato da Edison basato sulla produzione e distribuzione di energia elettrica in corrente continua, il valore della tensione della linea doveva essere molto prossimo al valore della tensione di alimentazione del carico. Ovviamente, la tensione all’inizio della linea poteva essere, seppur di poco, superiore rispetto al valore di tensione desiderato nel punto finale. Inoltre, per aumentare il valore della potenza elettrica trasferita, bisognava necessariamente aumentare il valore della corrente elettrica generando con ciò forti perdite per effetto Joule.
Non potendo utilizzare trasformatori elettrici per ottenere diversi valori di tensione sulla stessa linea, il modello di sistema elettrico di Edison si dimostrava particolarmente inadatto ad alimentare diverse tipologie di carichi dislocati lungo la linea. Anche nel settore industriale le esigenze elettriche stavano mutando rapidamente.
Molte aziende, che fino allora basavano i loro cicli produttivi con motori elettrici in corrente continua, ben presto iniziarono a modernizzare gli impianti di produzione con i più leggeri ed efficienti motori elettrici asincroni alimentati in corrente alternata.
Il modello di Edison, da rivoluzione, si trasformò in pochissimo tempo in un sistema elettrico completamente inadatto a rispondere alla crescente richiesta di connessione di carichi con diverse tensioni d’alimentazione.
La comunità scientifica mondiale iniziava a interrogarsi sui futuri possibili scenari da adottare per rispondere ai limiti manifestati dal sistema elettrico di Edison, sia per uso urbano sia industriale. Le prime sperimentazioni, condotte con la corrente alternata in regime sinusoidale, mostravano grandi vantaggi. La rivoluzione tecnologica, nel campo dell’elettrificazione, era destinata a invertire la rotta passando in breve tempo dal modello in corrente continua di Edison a un modello in corrente alternata.
I vantaggi offerti dalla corrente elettrica in regime sinusoidale erano sbalorditivi. Utilizzando delle macchine elettriche chiamate trasformatori, si poteva ottenere il valore di tensione necessario a ogni utilizzo, rendendo possibile l’alimentazione lungo la linea elettrica di carichi che richiedevano diversi valori di tensione. Inoltre, lungo le linee elettriche, poteva essere trasferita una potenza elettrica superiore semplicemente aumentano il valore della tensione della linea anziché aumentando il valore della corrente elettrica, abbattendo drasticamente le perdite per effetto Joule che caratterizzavano le linee in corrente continua.
Negli Stati Uniti, la Westinghouse Electric Company sosteneva le teorie degli scienziati Nikola Tesla e Galileo Ferraris nel ritenere il sistema elettrico in corrente alternata più vantaggioso.
La rivoluzione, che segnò una pietra miliare per lo sviluppo dell’attuale sistema elettrico, venne nel 1891 all’esposizione internazionale di Francoforte. A scopo puramente dimostrativo, fu presentato il primo sistema elettrico per la produzione, distribuzione e utilizzazione di energia elettrica in corrente alternata.
Per l’occasione, dalla centrale idroelettrica di Lauffen dotata di una turbina idraulica accoppiata con un generatore sincrono, fu realizzata una linea elettrica di distribuzione in corrente elettrica trifase con una tensione di 15 KV per una lunghezza di 175Km. La linea permetteva di alimentare elettricamente migliaia di lampade e un motore elettrico asincrono nella città di Francoforte.
Nel 1893 il successo del sistema elettrico in corrente alternata, ideato da Tesla e Ferraris, fu coronato con la presentazione del “sistema elettrico universale”:
La produzione dell’energia elettrica in corrente alternata trifase si otteneva nelle centrali termiche attraverso generatori sincroni, sempre nelle centrali, erano adottati trasformatori per elevare la tensione fino ai valori scelti per il trasporto.
L’energia elettrica era trasmessa fino alle stazioni di distribuzione cittadine dove, con trasformatori riduttori, si riduceva il valore della tensione per renderla idonea alle necessità domestiche.
Per le applicazioni che richiedevano ancora l’utilizzo dell’energia elettrica in corrente continua, come il trasporto pubblico cittadino, si utilizzavano macchine chiamate convertitore rotante per convertire l’energia elettrica in corrente alternata in energia elettrica in corrente continua.
Dal passato al presente
Dagli antichi albori del sistema elettrico immaginato e realizzato da Edison, passando per il più rivoluzionario modello ideato da Tesla – Ferraris, il sistema elettrico ha subito costanti aggiornamenti. Da quell’ormai lontano fine 800, fino ai giorni d’oggi, il sistema elettrico si è dimostrato fondamentale per il progresso e lo sviluppo d’intere generazioni.
Che si tratti delle luci delle nostre ormai confortevoli abitazioni, oppure ai più potenti impianti industriali, il sistema elettrico garantisce con continuità la fornitura di energia elettrica necessaria alle nostre abitudini quotidiane.
Gianni Truini
