Elementi di Impianti elettrici

Elementi di impianti elettrici

Struttura del sistema elettrico

Il sistema tradizionale presenta alla base le centrali elettriche, che producono energia elettrica a partire da diverse fonti, con una tensione di qualche migliaio di kV. Queste centrali si collegano a stazioni di trasformazione che le connettono alle linee di trasmissione ad altissima tensione, che lavorano con tensioni di 220-380 kV. I trasformatori adattano la tensione in uscita dalle centrali a quella di funzionamento delle linee AAT.

Esse hanno un’infrastruttura costituita da tralicci che sostengono i cavi AAT, che sono quindi in aria. Le linee AAT portano l’elettricità ad altre stazioni di trasformazione, che ne adattano la tensione per le linee ad alta tensione AT (132-150 kV), linee che costituiscono il sistema più fitto che prende il nome di rete di distribuzione primaria, o sub-trasmissione. A questa rete si collegano alcuni grandi stabilimenti industriali.

Oltre a fornire elettricità a questi, le linee AT portano la corrente ad altre stazioni di trasformazione (cabine primarie), che abbassano la tensione a livelli adatti per la rete a media tensione MT (10-20 kV in Italia). È una rete ancora più fitta della AT a cui si collegano la maggior parte dei carichi industriali e le cabine MT/BT, alle quali si collega a sua volta la rete di distribuzione in bassa tensione BT.

È la rete più capillare di tutte, che trasporta la corrente in tutte le abitazioni con una tensione di 400 V concatenata (230 V ogni fase). A differenza di AT e AAT che sono aeree, le linee MT e BT sono sotterranee. Il sistema tradizionale quindi è un sistema a cascata, con l’energia che dalle grandi centrali si distribuisce fino alle abitazioni.

Negli ultimi anni però esso si è evoluto, con l’introduzione di centrali a piccola taglia collegate ai livelli di tensione più bassi, come ad esempio i parchi eolici, collegati alla AT, o i pannelli solari sui tetti delle abitazioni, collegati direttamente alla BT.

Misura dell'energia elettrica

L’energia si trova sotto diverse forme e tradizionalmente si misura in Joule, ma si possono usare anche altre unità di misura, come ad esempio il kWh, usata molto per l’energia elettrica, le kcal, i Tep o i BTU (1 BTU = 0.252 kcal). L’energia elettrica è una forma secondaria di energia, ossia non presente in natura, ma producibile convertendo altre forme di energia primaria.

Nei paesi industrializzati questa conversione è facile da fare e viene fatta con rendimenti elevati. L’energia elettrica ha una distribuzione capillare, la sua generazione è economica e centralizzata e c’è la possibilità, grazie alla stessa energia elettrica prodotta, di sfruttare fonti di energia primaria non altrimenti utilizzabili, come il geotermico o l’energia solare. Per lo sviluppo di una comunità l’accesso all’energia elettrica è fondamentale.

Tipologie di centrali elettriche

• Centrali idroelettriche a bacino: anche se sono a fonti rinnovabili, si distinguono separatamente per una questione storica.
• Centrali termoelettriche: sono programmabili, come le idroelettriche a bacino.
• Centrali a fonti rinnovabili: non sono programmabili e contengono anche le idroelettriche fluenti. In Europa, soprattutto dopo il 2007-2008, il loro impiego è aumentato molto. Ciò è frutto non solo dell’avvento di nuove tecnologie, ma anche di determinate scelte politiche e incentivi che hanno fatto decollare queste tecnologie inizialmente non competitive dal punto di vista economico con quelle tradizionali.

Gestione della domanda e offerta energetica

L’energia elettrica è difficilmente immagazzinabile e va usata nel momento in cui viene prodotta, per cui all’interno della rete la domanda e l’offerta devono sempre essere pareggiate. Gli squilibri tra potenza fornita e potenza richiesta sono tollerabili solamente per pochissimi istanti. Uno squilibrio tra queste genera infatti una variazione di velocità nell’albero motore della centrale, che manda il sistema in crisi.

In particolare, se la potenza meccanica è maggiore della elettrica la velocità angolare aumenta e per evitare danni alla macchina questa va fermata, mentre se la potenza meccanica è minore di quella elettrica la velocità angolare diminuisce, con la macchina che tende a fermarsi. Per mantenere un funzionamento stabile e una velocità angolare costante, la potenza meccanica, ossia quella fornita, e quella elettrica, che è quella richiesta, devono essere uguali.

In un sistema grande ci sono molte centrali, ciascuna collegata alla propria turbina e con tanti carichi. La somma delle potenze fornite deve essere pari alla somma delle potenze richieste (trascurando per il momento le perdite). La potenza richiesta dai vari carichi è però una grandezza estremamente variabile e questo è un problema. Ad oggi non siamo in grado di prevedere istante per istante quale sarà la potenza richiesta, ma possiamo prevederne un valore medio su un orizzonte temporale, in genere di un quarto d’ora.

Gli impianti di generazione hanno tempi di avviamento e spegnimento molto lunghi e hanno determinati limiti di rampa, ossia sono lenti a variare quella che è la potenza prodotta. Se gli impianti sono spenti e viene richiesta una determinata potenza, il sistema nazionale non è in grado di fornirla, e ciò va evitato.

Ogni giorno quindi si va a fare, attraverso determinati algoritmi, una previsione di andamento del carico medio il giorno dopo. Non è una previsione precisa, è qualitativa, ma consente di avvertire i proprietari delle centrali elettriche che dovranno lavorare il giorno dopo, così da ovviare al problema dei lunghi tempi di avviamento.

Noi però abbiamo bisogno di una previsione esatta durante la giornata. Ad ogni quarto d’ora viene lanciato l’algoritmo su un orizzonte temporale decisamente ridotto (2-3 ore). Ciò permette di migliorare in modo notevole la previsione, che sarà quindi molto più precisa rispetto a quella sulle 24 ore, permettendo così di avvisare i gestori delle centrali su come variare la propria produzione (i tempi di variazione della potenza prodotta sono decisamente inferiori di 2-3 ore).

Regolazione e stabilità del sistema

Il risultato non sarà troppo diverso da quello sulle 24 ore, per cui le variazioni che le centrali dovranno fare non saranno enormi e saranno perfettamente gestibili. La precisione è aumentata poiché in input a questo algoritmo ci sono dati previsionali molto più precisi, come ad esempio le previsioni meteo o di temperatura, la cui precisione è maggiore sulle 2-3 ore successive rispetto che sulle 24 ore dopo.

Questo processo di algoritmo e avviso delle centrali è svolto dal gestore di rete, Terna in Italia, che invia ai gestori delle centrali quelle che prendono il nome di istruzioni di dispacciamento. Non siamo ancora però in condizioni di conoscere istante per istante la potenza richiesta. Abbiamo una previsione molto precisa del valore medio sul quarto d’ora, ma non è istante per istante. Le variazioni dal valore medio all’interno del quarto d’ora poi sono troppo rapide e non gestibili manualmente. Ci deve essere un intervento automatico, che viene fatto attraverso la regolazione primaria di frequenza, un sistema automatico installato su ogni macchina che ne muove il set point attorno al valore medio e che si basa su una sola informazione: lo squilibrio tra potenza richiesta e generata.

Se queste sono uguali tutti i generatori girano a velocità angolare costante con frequenza di 50 Hz. Nel momento in cui la potenza generata è maggiore di quella richiesta, la frequenza cresce ed il regolatore agisce sulla turbina diminuendo la potenza meccanica fino a quando non si ristabilisce l’uguaglianza, viceversa se quella generata è minore di quella richiesta la frequenza diminuisce ed il regolatore aumenta la potenza meccanica. Se la rete non è in grado di soddisfare l’uguaglianza tra potenza richiesta e generata si ha un blackout.

In Italia la domanda è soddisfatta attraverso una produzione nazionale e l’import di energia elettrica dall’estero.

Parametri degli impianti di produzione

Alcuni parametri importanti che caratterizzano gli impianti di produzione sono:

• Fattore di contemporaneità: è il rapporto tra la potenza effettivamente richiesta e la somma di tutte le potenze nominali dei carichi è sempre inferiore a 1.
• Rapporto tra potenza massima e minima richiesta nell’arco di un anno o di un giorno.
• Numero di ore di utilizzazione della potenza massima, con E energia elettrica prodotta da un impianto e Pn potenza massima nominale della macchina. Questo rapporto è il numero di ore alle quali la macchina deve funzionare al massimo per soddisfare la richiesta di energia.

La curva di durata del carico è una curva, sulla durata temporale di un anno, che mostra per quante ore in quell’anno il carico è stato almeno superiore di una data soglia. Dalla curva si evince che c’è sempre un minimo che va soddisfatto, in genere da quegli impianti che prendono il nome di impianti di base (spesso a carbone o nucleari). Vi sono poi impianti di punta, atti a soddisfare il carico di punta (i massimi) e che devono essere estremamente flessibili, ed impianti intermedi, che soddisfano tutto ciò che non è di punta, ma comunque al di sopra del minimo.

Indico poi con potenza efficiente la potenza effettivamente generabile dalle centrali esistenti, che è diversa dalla potenza installata. Gli impianti idroelettrici si trovano soprattutto al nord, sull’arco alpino. Gli impianti termoelettrici possono essere di diverse tipologie: nucleari, tradizionali, turbogas, e presentano alcune problematiche:

• Esaurimento delle scorte naturali.
• Instabilità politica dei paesi fornitori delle fonti primarie.
• Variabilità dei prezzi delle fonti primarie.
• Elevato impatto ambientale ed inquinamento.
• Costo da pagare per avere i diritti di emissione di CO2 (ETS).

Costo dell'energia

Il costo dell’energia dipende dai costi di produzione (è l’aspetto più rilevante), di trasporto e di distribuzione dell’energia e da eventuali tasse. I costi di produzione a loro volta dipendono dal capitale investito, che viene spalmato sugli anni in cui si produce l’energia viene ammortato (maggiore è l’energia prodotta e minore sarà l’incidenza dell’investimento sul singolo kWh prodotto), dal costo del combustibile, che chiaramente è una voce presente solo negli impianti termoelettrici e non in quelli a fonti rinnovabili, e dai costi di manutenzione. Il mix di costi varia a seconda della tecnologia. A questi costi va anche aggiunto il costo di produzione della CO2 se la centrale ne produce. Per questo motivo, per gli impianti a fonti rinnovabili, il costo è praticamente dato quasi solo dai costi di investimento.

Sistemi di trasmissione

La rete AAT è una rete magliata, ossia esistono diversi percorsi che collegano due diversi nodi tra di loro. È un aspetto fondamentale, dato che la rete AAT costituisce l’ossatura del sistema elettrico, trasportando grandi quantità di potenza e sostenendo i livelli di tensione inferiori. Il suo funzionamento deve essere sempre garantito.

Fare una rete magliata però è la soluzione più costosa e si cerca di adottarla solo quando è assolutamente necessario. La rete AT, infatti, è potenzialmente magliata, ma ci sono degli interruttori che vengono tenuti aperti, se non in caso di guasto, e che la fanno funzionare in modo radiale (un solo percorso). La distribuzione primaria (MT) è radiale, ma contro alimentabile in modo automatico. È una rete radiale, ma nella quale è possibile andare ad alimentare tutti i carichi della rete grazie alla chiusura di interruttori in caso di un guasto. In una rete radiale, tutti i carichi a valle del guasto non sarebbero in grado di ricevere energia elettrica anche per qualche giorno, quindi ci sono degli interruttori che, se chiusi, permettono di alimentare il tratto di ramo escluso dal guasto. Ogni ramo è collegato ai trasformatori attraverso due interruttori diversi, di cui uno aperto in condizioni normali.

Anche la rete BT è radiale e contro alimentabile, ma in modo manuale. L’intera rete non è magliata perché per questo tipo di rete i sistemi di protezione sono molto complessi e costosi. Avere questo tipo di costi anche nella rete a bassa tensione, dove per altro i sistemi di protezione sono semplici, economici e funzionanti molto bene, non sarebbe giustificato, dato che comunque i disagi sono veramente pochissimi e di breve durata. Interruzioni ai livelli alti di tensione non sono tollerabili, mentre ai livelli bassi sì, dato che interesserebbero solo un limitato numero di utenti e per un breve tempo.

Grazie ad un algoritmo il sistema di trasmissione (AAT e AT) è completamente osservabile. È possibile stimare in maniera precisa le grandezze elettriche in ciascun nodo della rete. Il sistema di trasmissione è un sistema telecontrollato che interconnette i generatori di grossa taglia. In Italia, l’attività di dispacciamento legata a questo sistema è fatta da Terna, che è anche la proprietaria del sistema di trasmissione. Essa si definisce come gestore di rete (TSO). A livello europeo i TSO sono raggruppati nell’ENTSO, un organo che fornisce procedure per gli scambi di energia e che coordina le attività dei vari TSO.

La rete di distribuzione (MT e BT) è meno affidabile della rete di trasmissione e a livello di feeder (sistema di cavi tra due trasformatori) la potenza distribuita è minore, ma è una rete molto più estesa. La MT è parzialmente osservabile, senza stima dello stato, mentre quella BT non lo è, mancano le informazioni per farlo. La rete BT fornisce corrente monofase grazie ad una derivazione monofase dal circuito trifase. Ogni giorno però la rete evolve, con un’inversione del flusso di potenza causata dall’introduzione delle FER. Ciò mette in crisi le modalità di esercizio e controllo di queste reti, che vanno quindi riviste. La rete di distribuzione non è più una rete passiva, con solo carichi, ma ha anche delle FER non programmabili (si è infatti inventato il termine prosumers).

È necessario introdurre un layer di comunicazione che metta in contatto il DSO (il gestore della rete di distribuzione) con i sensori che misurano le grandezze elettriche della rete, così da gestirla in maniera intelligente (smart grid). I DSO sono entità locali, ce ne sono molti, al contrario del TSO che è unico.

Corrente alternata e continua

L’energia elettrica si può produrre in modo alternato o continuo. Tra gli impianti che la producono in modo continuo ci sono le dinamo, i pannelli FV o le batterie, mentre tra quelli che la producono in alternata ci sono le macchine sincrone ed asincrone. La trasmissione è però fatta quasi solamente in AC. La corrente AC può essere monofase o polifase (la più conosciuta è la trifase). In monofase il sistema è costituito da 2 conduttori: il conduttore di fase ed il conduttore di neutro, vale che, conosciute la potenza P e la tensione V (valore efficace), la corrente che scorre, in valore efficace, è , la potenza persa è la % di potenza persa sul totale (è una sorta di rendimento), mentre in trifase ci sono 3 conduttori più un eventuale neutro (se c’è il sistema si dice a 4 fili) note P e V vale che , e .

Nei sistemi polifase è possibile andare a definire la tensione di fase (quella tra un conduttore ed il neutro), la tensione concatenata (tra due conduttori), la corrente di fase (è quella che scorre in ciascuna fase) e la corrente di linea (è la corrente che scorre all’interno dei carichi) un sistema è considerato simmetrico ed equilibrato se tutte le tensioni e le correnti sono uguali in modulo tra di loro e sono sfasate dello stesso angolo (120°). In un sistema simmetrico ed equilibrato la somma delle correnti sulle 3 fasi è nulla, nel neutro non scorre mai corrente, ciò che avviene su ogni fase è uguale, ma semplicemente sfasato di 120°.

Per i sistemi in corrente continua DC invece esistono le seguenti due soluzioni:

• Sistema classico a due fili. Note P e V.
• Sistema ad un filo con conduttore di ritorno costituito dall’acqua di mare (che è un ottimo conduttore). È una soluzione adottata soprattutto per i collegamenti alla rete elettrica delle isole, che venendo realizzati con un solo cavo sono più economici. L’acqua di mare stessa funge da conduttore di ritorno in essa la corrente si distribuisce ampiamente, risultando in una densità di corrente irrilevante, innocua, ma che permette comunque la chiusura del circuito.

Note P e V, e per l’espressione della potenza persa % posso andare a scrivere un’equazione generale: , dove n e k sono coefficienti che vanno definiti.