Sistemi di distribuzione e utenze del sistema

Il sistema elettrico di grandi dimensioni di uno stato

In questa parte del corso vediamo come è fatto il sistema elettrico di grandi dimensioni di uno stato. La guerra della corrente Alla nascita dell'energia elettrica (fine '800) ci sono stati 2 grandi scienziati (o meglio un truffatore e uno che parlava con i piccioni) - Thomas Edison (gran truffatore) sostenitore della corrente continua - Nikola Tesla (dagli amici dott. Dolittle) sostenitore della corrente alternata Vediamo subito che nel trasporto dell'energia nelle grandi distanze è importante il valore della corrente per ridurre al minimo l'effetto joule. Per ridurre la corrente possiamo rifasare la linea e modificare il fattore di potenza, ma una volta corretto quello, per poter ridurre ancora la corrente dobbiamo alzare la tensione tramite i trasformatori. Quindi la cosa fondamentale per la trasmissione di potenza elettrica è avere alti valori di tensione, ma i generatori sono abbastanza deboli e generano poca tensione e venne inventato quindi il

trasformatore elettrico. ma questo funziona solo se c'è un campo magnetico variabile, quindi nel caso della corrente alternata. (infatti in corrente continua il trasformatore scalda solo l'armatura senza produrre alcun risultato se non perdite.) E da qui la forte spinta della corrente alternata. Edison d'altra parte per scoraggiare la corrente alternata inventò la sedia elettrica e le elettrocuzioni in corrente alternata per dimostrarne la pericolosità bruciando bestie in piazza pubblica. Infatti per un buon periodo la corrente alternata fu scartata e vennero costruite diverse centrali in corrente continua in modo distribuito per la poca capacità di questo tipo di trasporto di andare oltre i 30 km di raggio e con perdite di tensione non indifferenti. Un altro problema era quello di far girare i motori elettrici, all'epoca in corrente continua, della corrente alternata. Così Tesla inventò il motore a induzione di cui parleremo

più avanti del corso. Ad oggi grazie all’invenzione dei convertitori elettronici e dei dispositivi tecnologici stanno rendendo sempre di più l’applicazione della corrente continua, ma solo in dispositivi locali. Pannelli solari, le celle combustibile ecc…

Confronto dei sistemi in corrente continua e corrente alternata

Cerchiamo di capire perché il mondo ha deciso di seguire la direzione della corrente alternata andando ad analizzare i vantaggi e svantaggi dei vari sistemi.

Sistemi trifase

Vantaggi

• maggiore efficienza del trasporto dell’energia
• potenza costante in trifase (poche vibrazioni)
• alte efficienze in trasformazione meccanica→elettrica e elettrica→ meccanica
• Alta efficienza nell’utilizzo del trasformatore elettrico
• Il passaggio della corrente per lo zero (questo permette di progettare interruttori che possano aprire la linea e interrompere il flusso, questo perché l’ostacolo più grande all’apertura

del sistema trifase, la potenza trasmessa è più efficiente rispetto alla corrente continua e alla corrente alternata monofase. Ciò è dovuto a diversi vantaggi offerti dalla trifase: - Riduzione delle perdite di potenza: grazie alla presenza di tre conduttori attivi, la corrente viene distribuita in modo equilibrato, riducendo le perdite di potenza rispetto alla corrente continua e alla corrente alternata monofase. - Maggiore efficienza energetica: la trifase consente di trasmettere una maggiore quantità di potenza utilizzando una sezione di conduttori più piccola rispetto alla corrente continua e alla corrente alternata monofase. - Riduzione dei costi di installazione: grazie alla ridotta sezione dei conduttori necessari, l'installazione di un sistema trifase risulta meno costosa rispetto alla corrente continua e alla corrente alternata monofase. - Maggiore stabilità del sistema: la presenza di tre fasi permette di bilanciare meglio il carico e di ridurre gli sbalzi di tensione, garantendo una maggiore stabilità del sistema. Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi associati all'utilizzo della trifase: - Necessità di apparecchiature adattative: poiché la maggior parte delle apparecchiature funziona a corrente continua, è necessario utilizzare apparecchiature adattative costose che introducono perdite nel sistema trifase. - Complessità dell'impianto: l'installazione di un sistema trifase richiede una maggiore complessità rispetto alla corrente continua, a causa della presenza di tre fasi e della necessità di bilanciare il carico tra di esse. In conclusione, nonostante gli svantaggi, la trifase offre numerosi vantaggi in termini di efficienza energetica, riduzione dei costi e stabilità del sistema, rendendola una scelta preferibile rispetto alla corrente continua e alla corrente alternata monofase.

monofase se voglio trasportare la stessa potenza alla stessa distanza e con la stessa DDP avrò bisogno di un conduttore 2 volte più spesso, quindi in termine di materiale è come se avessi bisogno di un cavo in più del trifase nonostante la presenza di 3 cavi. Quindi in trifase risparmio il 25% del materiale.

Caso trifase e corrente continua Quindi la sezione in corrente continua dipende dal fattore di potenza alla quale viene distribuita la trifase: quindi le grandi potenze vengono trasportate con angoli di sfasamento molto piccoli; inoltre notiamo che se l'angolo di sfasamento è particolarmente grande conviene trasportare la tensione sotto forma di corrente continua; infatti è il metodo utilizzato per trasportare la corrente alle piccole isole.

Sistema elettrico centralizzato Vediamo che la potenza è unidirezionale dalla generazione alla distribuzione L'energia elettrica è molto importante perché è un vettore

alta tensione→ media tensione) (quartieri residenziali e piccole industrie)- bassa tensione (media tensione→ bassa tensione) (case e negozi)

valle della cabina primaria) (scuole, università, centri commerciali e piccole industrie)- bassa tensione (divisa in monofase, trifase con e senza neutro, a valle della cabina secondaria) (negozietti, piccole botteghe e noi povere bestie)

Questo sistema di produzione unidirezionale è rimasto in auge fino al 2000 e gli utilizzatori sono passivi e possono solo utilizzare energia

Sistema elettrico ibrido (sia centralizzato che distribuito)

C'è una transizione del sistema elettrico da centralizzato a ibrido, dove ai vari livelli di tensione gli utilizzatori possono attaccare i propri generatori alla linea. Di conseguenza gli utenti non sono più passivi ma anche attivi.

Generazione centralizzata

Esistono vari tipi di impianti di generazione di tipo centralizzato:

• termoelettrici a vapore da combustibile fossile (TVFO)
• termoelettrici a vapore da combustibile fissile (TVFI)
• termoelettrici con turbine a gas (TG)
• termoelettrico a ciclo combinato gas e vapore (CC)

idroelettrici (II)- eolici (E)- Fotovoltaici (PV)- Biomasse, geotermico e altro

TVFO TVFI TG CC II E PV

[Mw] ordine di 10-1000 100-1000 1-350 1-350 0.1-100 0.01-100 0.001-100

grandezzaC [€/kw] 900-1400 3000-6000 300 500 1000-200 900-2000 700

η [%] 36-50 50 33-40 60-75 50-80 20-70 15-30

ore di 6500-7500 8000 6500-7000 non è 2000-4000 1700-4250 1200-1600

utilizzazione chiaro

annue visto che sono state usate poco

velocità basse(ore) bassissima alte alte molto alte dipende dipende

ma ma

altissima altissima

carico pieno pieno variabile variabile variabile variabile variabile

costo 0.7-3 12-10000 0.99-2.40 0.99-2.40 gratis gratis gratis

combustibile (basso) (ma dura (alto e si (alto e si

[€/kg] una vita) alza) alza)

LCOE [€/kwh] 0.05 in 107-124 in 8 in 5 in 0.08 0.08 in 0.04-0.05

aumento calo aumento aumento stabile calo in calo

Sarebbe da considerare l’EROEI (Energy return on Energy Invested), ovvero il rapporto energia generata su energia per creare il generatore,

L' LCA, ovvero l'impatto della tecnologia sulla società e sul pianeta terra e la flessibilità, ovvero la capacità di adattarsi alle situazioni.

legenda :

• P = potenza
• C = costo dell'impianto
• η = rendimento dell'impianto
• ore di utilizzazione = quante ore dura un impianto acceso
• velocità = velocità di accensione e spegnimento
• carico = quanto vado a caricare il generatore
• costo combustibile = costo materia prima
• LCOE = costo per ogni kw ora prodotto

Generazione distribuita: il generatore distribuito permette di utilizzare direttamente l'energia in loco eliminando così i costi di trasporto, un esempio è l'impianto fotovoltaico dell'università o di un aeroporto la cui energia viene utilizzata direttamente nella struttura. Generalmente abbiamo delle taglie molto inferiori fino a 10 MVA connesse a diversi livelli di tensione della rete e viene connesso a valle del contatore. Le tecnologie utilizzate sono solare,

microturbine eoliche e generatori a combustione interna

Questo permette di ottenere benefici economici, tecnici e ambientali.

in 13 anni è stata raddoppiata la produzione da energie rinnovabili

Diagramma di carico della rete elettrica

Il diagramma di carico indica quanta energia e quando viene richiesta durante una giornata.

Permette di fare previsioni e di accendere e spegnere le varie centrali nei momenti di necessità

Quindi la potenza sulla giornata

Questo grafico dipende dalla stagione e dal giorno (festivo o feriale)

Vedo quindi in linea gialla la previsione e in linea blu l'effettivo utilizzo.

Vediamo che le ore di minimo sono le notturne raggiungendo i picchi massimi alle 9 e alle 19 (tipica giornata lavorativa)

Il sistema elettrico funziona solo se produzione e consumo sono uguali: se si va in sottoproduzione la frequenza cala e la linea diventa instabile, se invece ho più potenza aumenta la frequenza.

Vediamo ora come suddividere le varie tecnologie di produzione

o tipo di cavi si chiamano cavi a treccia). Queste linee possono essere aeree o sotterranee, a seconda delle esigenze e delle caratteristiche del territorio. Le linee aeree sono costituite da pali di sostegno, generalmente in cemento armato o acciaio, sui quali vengono installati i cavi. Le linee sotterranee, invece, sono costituite da tubi in materiale isolante, all'interno dei quali vengono posati i cavi. Questa soluzione è preferita quando si vuole evitare l'ingombro visivo delle linee aeree o quando si tratta di attraversare zone particolarmente sensibili dal punto di vista ambientale o paesaggistico.