Elettrotecnica

Appunti elettrotecnica

Energia sostenibile

La società moderna è caratterizzata da un elevato livello di sviluppo tecnologico, industriale e sociale, e questo comporta un fabbisogno energetico molto elevato. L’energia rappresenta infatti la capacità di compiere lavoro e costituisce la base di tutte le attività umane.

Nella società occidentale, il consumo di energia è distribuito tra diversi settori, ciascuno dei quali contribuisce in modo significativo alla domanda complessiva.

Nel settore industriale, l’energia è utilizzata per la produzione di beni di consumo attraverso processi produttivi che richiedono sia energia elettrica sia energia termica.

Nel settore dei trasporti, l’energia è necessaria per garantire la mobilità di persone e merci, ed è tradizionalmente fornita da combustibili fossili, anche se negli ultimi anni si sta assistendo a una crescente elettrificazione, come nel caso dei veicoli elettrici.

Nel settore residenziale, l’energia è impiegata per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti, per l’illuminazione e per il funzionamento degli elettrodomestici.

Il settore dei servizi, che include ospedali, scuole e sistemi di telecomunicazione, richiede energia in modo continuo e con elevati requisiti di affidabilità. Anche l’agricoltura contribuisce al consumo energetico, attraverso l’utilizzo di macchinari e impianti di irrigazione.

Fonti e unità di misura dell’energia

Per analizzare quantitativamente il sistema energetico è necessario fare riferimento a fonti di dati affidabili. Tra queste, un ruolo fondamentale è svolto dalla International Energy Agency, istituita nel 1974 in seguito alla crisi petrolifera, con l’obiettivo di coordinare le politiche energetiche dei paesi industrializzati e migliorare la sicurezza degli approvvigionamenti.

Questa organizzazione raccoglie dati sulla produzione, il consumo e il commercio dell’energia e pubblica rapporti come l’Energy Outlook, che forniscono scenari previsionali sull’evoluzione del sistema energetico globale.

Anche l’Unione Europea, attraverso il Directorate-General for Energy della Commissione Europea, raccoglie e pubblica dati energetici fondamentali per l’analisi e la pianificazione.

Per esprimere quantitativamente l’energia si utilizzano diverse unità di misura. Una delle più comuni è il wattora, che rappresenta l’energia consumata da una potenza di un watt mantenuta per un’ora.

Dal punto di vista fisico, poiché un watt equivale a un joule al secondo, un watt ora corrisponde a 3600 joule. Nei bilanci energetici su larga scala si utilizza spesso la tonnellata equivalente di petrolio, che rappresenta l’energia ottenuta dalla combustione di una tonnellata di petrolio.

Un milione di tonnellate equivalenti di petrolio può essere convertito in altre unità, come terajoule o gigawattora, consentendo di confrontare diverse fonti energetiche.

Consumo energetico finale

Un concetto fondamentale per l’analisi dei consumi è quello di consumo energetico finale, indicato con la sigla TFC. Questo rappresenta la somma dei consumi energetici nei settori di utilizzo finale, cioè industria, trasporti, residenziale, servizi e agricoltura.

È importante sottolineare che il consumo finale non include l’energia utilizzata nei processi di trasformazione, come nelle centrali elettriche o nelle raffinerie, né le perdite di rete o l’energia consumata dal settore energetico stesso.

Include invece anche gli usi non energetici dei combustibili, cioè quando questi vengono utilizzati come materia prima, ad esempio per la produzione di plastica o fertilizzanti. I consumi legati ai trasporti internazionali, come il traffico aereo e marittimo tra paesi diversi, non vengono attribuiti ai singoli stati.

I consumi energetici variano notevolmente tra i diversi paesi e settori. I paesi industrializzati presentano consumi pro capite più elevati rispetto ai paesi in via di sviluppo.

Dal punto di vista settoriale, i principali consumatori sono l’industria e i trasporti, mentre in Europa il settore dei trasporti rappresenta la quota più significativa del consumo energetico finale. Nel tempo, i consumi energetici hanno mostrato un trend crescente, con riduzioni temporanee in corrispondenza di eventi come crisi economiche o pandemie.

L’energia utilizzata nei diversi settori può derivare da combustibili o da energia elettrica. I combustibili includono carbone, petrolio e gas naturale, mentre l’energia elettrica rappresenta una forma di energia particolarmente pregiata per la sua versatilità, facilità di trasporto e possibilità di conversione in altre forme di energia con elevata efficienza.

Fonti primarie, secondarie e rinnovabili

Dal punto di vista delle fonti, si distingue tra energia primaria ed energia secondaria. L’energia primaria è quella disponibile direttamente in natura, come il sole, il vento, l’acqua, i combustibili fossili e l’uranio.

L’energia secondaria è invece quella ottenuta dalla trasformazione dell’energia primaria, come l’energia elettrica o i combustibili raffinati. Le fonti primarie possono essere rinnovabili o non rinnovabili.

Le fonti rinnovabili, come l’energia solare, eolica e idroelettrica, si rigenerano naturalmente su scala temporale umana, mentre le fonti non rinnovabili, come i combustibili fossili, sono limitate e destinate a esaurirsi.

Tra le diverse fonti rinnovabili esistono varie tecnologie di conversione. L’energia idroelettrica sfrutta l’energia dell’acqua, quella eolica sfrutta il vento, mentre l’energia solare può essere convertita in energia elettrica tramite il fotovoltaico o in energia termica tramite sistemi termodinamici.

L’energia geotermica sfrutta il calore della Terra, mentre la bioenergia deriva dall’utilizzo di biomasse.

Produzione di energia elettrica

La produzione di energia elettrica rappresenta un elemento centrale del sistema energetico. L’energia elettrica è particolarmente importante perché può essere distribuita facilmente e utilizzata in molte applicazioni.

A livello globale, la produzione di energia elettrica è in crescita, così come la sua incidenza sul consumo totale, fenomeno noto come elettrificazione.

La produzione di energia elettrica può avvenire utilizzando diverse fonti, tra cui combustibili fossili, energia nucleare e fonti rinnovabili. Le fonti rinnovabili sono caratterizzate da un minore impatto ambientale, poiché non producono emissioni dirette di gas serra durante il funzionamento, anche se la loro diffusione è ancora limitata rispetto al totale.

In Europa si osserva una maggiore penetrazione delle rinnovabili rispetto alla media mondiale, mentre in Italia la produzione elettrica è ancora fortemente basata sul gas naturale, con una quota significativa di energia rinnovabile.

Risorse, emissioni e cambiamento climatico

Un aspetto fondamentale del sistema energetico è la disponibilità delle risorse. Nel caso dei combustibili fossili, è importante distinguere tra riserve, che sono i giacimenti già individuati e sfruttabili economicamente, e risorse, che includono anche quelli non ancora sfruttabili.

Il rapporto tra riserve e produzione annuale fornisce una stima della durata delle risorse disponibili.

L’utilizzo dei combustibili fossili ha un impatto ambientale significativo, in particolare per quanto riguarda le emissioni di gas serra. L’effetto serra è un fenomeno naturale che consente di mantenere una temperatura adeguata sulla Terra, ma l’aumento della concentrazione di gas serra dovuto alle attività umane ha intensificato questo fenomeno, causando il riscaldamento globale.

Le emissioni di anidride carbonica dipendono dal tipo di combustibile utilizzato, con il carbone che presenta le emissioni più elevate, seguito dal petrolio e dal gas naturale. Nel tempo, le emissioni globali sono aumentate, con variazioni temporanee legate a eventi straordinari.

Per affrontare il cambiamento climatico sono stati istituiti organismi internazionali come l’Intergovernmental Panel on Climate Change, che analizza i dati climatici e fornisce valutazioni scientifiche.

Sono stati inoltre definiti accordi internazionali, come l’Accordo di Parigi, che mira a limitare l’aumento della temperatura globale.

L’Unione Europea ha adottato politiche energetiche e climatiche ambiziose, con l’obiettivo di ridurre le emissioni, aumentare la quota di energie rinnovabili e migliorare l’efficienza energetica, fino a raggiungere la neutralità climatica entro il 2050.

Il concetto di sviluppo sostenibile implica la capacità di soddisfare i bisogni attuali senza compromettere quelli delle generazioni future. In questo contesto, è importante distinguere tra diversi concetti come net zero, carbon neutral e climate neutral, che si riferiscono a diversi livelli di bilanciamento delle emissioni.

Infine, è necessario considerare il fenomeno del greenwashing, cioè la tendenza a presentare come sostenibili attività che non lo sono realmente, creando confusione e ostacolando una reale transizione energetica.

Sistema elettrico

Un sistema elettrico di potenza è l’insieme coordinato degli impianti e delle infrastrutture che permettono la produzione, il trasporto, la distribuzione e l’utilizzo dell’energia elettrica.

Per comprendere il suo funzionamento è necessario analizzare come l’energia viene generata, trasferita su lunghe distanze e infine distribuita agli utenti finali.

Produzione, trasmissione e distribuzione

La produzione di energia elettrica avviene nelle centrali, dove sono presenti generatori sincroni, cioè alternatori, che producono energia elettrica generalmente a tensioni comprese tra 15 e 30 kV.

Poiché queste tensioni non sono adatte per il trasporto su lunghe distanze, l’energia viene immediatamente trasformata tramite trasformatori elevatori, che aumentano la tensione a valori molto più elevati.

Questo passaggio è fondamentale perché, a parità di potenza trasportata, aumentando la tensione si riduce la corrente e quindi si riducono le perdite per effetto Joule lungo le linee.

L’energia elettrica viene quindi immessa nella rete di trasmissione-interconnessione, che ha il compito di collegare tra loro le centrali di produzione, le stazioni primarie e le sottostazioni.

Questa rete utilizza linee ad altissima e alta tensione, con valori tipici in Italia pari a 380 kV, 220 kV, 150 kV, 132 kV e 120 kV. Si tratta di una rete molto estesa, progettata per trasportare grandi quantità di energia su lunghe distanze.

Nelle stazioni e sottostazioni avviene la trasformazione della tensione per passare ai livelli successivi. In particolare, nelle cabine primarie si effettua la trasformazione dall’alta tensione alla media tensione, tipicamente 20 kV o 15 kV, che alimenta la rete di distribuzione primaria.

Successivamente, nelle cabine secondarie, la tensione viene ulteriormente ridotta fino ai valori della bassa tensione, cioè 400 V trifase o 230 V monofase, che sono i livelli utilizzati dalle utenze domestiche.

Il sistema elettrico funziona generalmente in corrente alternata, con una frequenza nominale di 50 Hz in Europa e 60 Hz in altri paesi come gli Stati Uniti. L’utilizzo della corrente alternata è storicamente legato alla facilità di trasformazione della tensione mediante trasformatori.

Configurazioni delle reti elettriche

Dal punto di vista della struttura, le reti elettriche possono assumere diverse configurazioni. Una rete radiale è caratterizzata da una struttura ad albero, in cui ogni utenza è alimentata da un solo percorso.

Una rete dorsale presenta una linea principale da cui si diramano altre linee secondarie. Una rete magliata, invece, è caratterizzata dalla presenza di più percorsi alternativi tra i nodi, aumentando così la ridondanza e quindi l’affidabilità del sistema.

Nei sistemi reali, in particolare nelle reti di trasmissione, si utilizza una struttura magliata. Questo significa che in ogni nodo convergono più linee e, in caso di guasto di una linea, l’energia può essere instradata attraverso percorsi alternativi, riducendo il numero di utenti disalimentati.

Inoltre, la potenza fluisce sempre dai livelli di tensione più elevati verso quelli più bassi, seguendo il gradiente di tensione.

Dal punto di vista degli utenti, i grandi carichi industriali possono essere collegati direttamente alla rete di alta o media tensione, mentre le utenze residenziali sono sempre collegate alla rete in bassa tensione.

Regolazione e dispacciamento

Un aspetto fondamentale del sistema elettrico è il controllo della tensione e della frequenza. Per garantire il corretto funzionamento degli apparecchi elettrici, questi parametri devono rimanere molto vicini ai valori nominali.

La regolazione della tensione avviene su più livelli. La regolazione primaria è locale e automatica e avviene agendo sulla corrente di eccitazione degli alternatori tramite regolatori automatici, mantenendo stabile la tensione ai morsetti del generatore.

Questa regolazione è molto rapida ma agisce solo localmente.

Successivamente interviene la regolazione secondaria, che è centralizzata e coordinata, e ha l’obiettivo di mantenere la tensione ottimale su tutta la rete.

Questa regolazione è gestita dal gestore della rete, in Italia Terna, ed è più lenta ma più efficace su larga scala. Può intervenire modificando l’eccitazione dei generatori, variando il rapporto dei trasformatori o utilizzando dispositivi per la compensazione della potenza reattiva, come STATCOM o compensatori sincroni.

Un altro concetto fondamentale è quello di dispacciamento, che consiste nell’insieme delle operazioni necessarie per garantire l’equilibrio tra produzione e consumo di energia elettrica in ogni istante.

Questo compito è affidato al gestore della rete di trasmissione, che decide quali impianti devono essere attivati e gestisce le riserve di potenza per garantire la continuità del servizio.

Mercato e gestori della rete

Il sistema elettrico può essere suddiviso in tre funzioni principali: trasmissione, distribuzione e vendita dell’energia.

• Trasmissione: riguarda il trasporto dell’energia su lunghe distanze mediante linee ad alta e altissima tensione.
• Distribuzione: riguarda il trasporto su distanze più brevi, tramite reti in media e bassa tensione, fino agli utenti finali.
• Vendita: riguarda invece la commercializzazione dell’energia elettrica nel mercato.

In Italia, la rete di trasmissione è gestita da Terna, che opera in regime di monopolio naturale e ha il compito di garantire sicurezza, continuità e qualità del servizio, assicurando che la produzione e il consumo siano sempre in equilibrio.

La distribuzione è gestita principalmente da aziende come Enel, mentre la vendita avviene in un mercato liberalizzato, attraverso la borsa elettrica gestita dal Gestore dei Mercati Energetici.

La rete elettrica italiana è inoltre interconnessa con quella europea, attraverso collegamenti con paesi come Francia, Svizzera, Austria, Slovenia e Grecia.

Questa interconnessione è gestita a livello europeo da ENTSO-E, un’organizzazione che coordina i gestori delle reti di trasmissione di diversi paesi, garantendo il funzionamento sicuro e coordinato del sistema elettrico europeo.

Evoluzione del sistema elettrico

Negli ultimi anni si sta assistendo a un’evoluzione del sistema elettrico, con l’introduzione di nuove tecnologie e nuovi modelli di gestione.

Un esempio è rappresentato dalle microgrid, cioè sistemi locali che integrano generatori, carichi e sistemi di accumulo, spesso alimentati da fonti rinnovabili.

Questi sistemi possono funzionare in modo autonomo oppure interagire con la rete principale, migliorando l’efficienza e la resilienza del sistema.

Un’altra evoluzione riguarda lo sviluppo di supergrid, cioè reti di trasmissione su larga scala, spesso basate su tecnologie in corrente continua ad alta tensione, che permettono di trasportare grandi quantità di energia su lunghe distanze e di integrare meglio le fonti rinnovabili distribuite sul territorio.

Le linee elettriche possono essere realizzate in forma aerea o in cavo. Le linee aeree sono generalmente più economiche, mentre i cavi interrati o sottomarini sono più costosi ma presentano vantaggi in termini di impatto ambientale e affidabilità.

Inoltre, per distanze molto elevate e grandi potenze, il trasporto in corrente continua può risultare più conveniente rispetto alla corrente alternata, sia dal punto di vista dell’efficienza sia della controllabilità.

Nel contesto italiano, sono previsti importanti sviluppi infrastrutturali, come il progetto Hypergrid, che prevede l’utilizzo di linee in corrente continua per aumentare la capacità di trasmissione e migliorare l’integrazione