Energia elettrica (alimentazione e distribuzione)

Sistemi per la trasformazione di altre forme di energia in energia elettrica, e per la trasmissione di questa nei luoghi di consumo. La produzione e la trasmissione di energia sotto forma di elettricità comportano importanti vantaggi economici in termini di costo per unità di potenza trasportata. (Vedi Motori e generatori elettrici). I sistemi elettrici di potenza rendono inoltre possibile l'utilizzo di energia idroelettrica lontano dai luoghi di produzione. Nei moderni sistemi di distribuzione si impiegano, generalmente, correnti alternate (AC), anche perché i livelli di tensione di questi segnali possono essere facilmente convertiti da alti a bassi valori, e viceversa, per mezzo di trasformatori. Così, ogni stadio del sistema può essere alimentato a livelli di tensione adeguati. Un sistema di produzione e di distribuzione di energia elettrica è costituito da sei elementi principali: la centrale di produzione; un gruppo di trasformazione che porta l'energia generata a livelli di alta tensione vantaggiosi per le linee di trasmissione; le linee stesse; le sottostazioni di trasformazione che riducono le tensioni per le linee locali; le linee locali di distribuzione; le cabine di trasformazione che riducono ulteriormente le tensioni fino ai livelli di impiego delle apparecchiature degli utenti.

In un sistema tipico, i livelli di tensione generati nella centrale non superano i 26.000 volt (V) circa, dal momento che valori più alti del voltaggio potrebbero comportare difficoltà di isolamento delle macchine e pericolo di scariche elettriche e di danni. Tali tensioni vengono innalzate per mezzo di opportuni trasformatori fino a valori compresi tra 110 e 380 kV (1 kilovolt equivale a 1000 V) per la rete di distribuzione primaria (a parità di potenza trasmessa, più alta è la tensione e più piccola è la corrente e quindi minori sono le perdite, poiché l'energia dissipata in linea è proporzionale al quadrato della corrente). I valori riportati sono quelli della rete italiana, che dispone di poche linee a tensione maggiore; grandi linee con tensioni più elevate sono in funzione in altri paesi. Nelle stazioni primarie la tensione viene ridotta a valori tra 60 e 130 kV per il trasferimento lungo le linee di distribuzione locali, e nelle stazioni secondarie si ha un'ulteriore riduzione che porta il voltaggio tra i 15 e i 30 kV. Nelle cabine di trasformazione, infine, la tensione viene ancora abbassata ai livelli di utilizzo. L'industria pesante e le ferrovie impiegano tensioni di qualche migliaio di volt e ulteriori riduzioni sono richieste per le utenze più piccole; l'industria leggera opera invece con impianti a 380 V, mentre gli impianti domestici sono ormai, quasi ovunque in Italia, a 220 V (in alcune zone 160 V).

I recenti sviluppi dei raddrizzatori per alte tensioni a stato solido rendono possibile, ed economicamente accettabile, la conversione di alte tensioni alternate in alte tensioni continue per la distribuzione di potenza; ciò evita le perdite capacitive e induttive in trasmissione (vedi più avanti).

La centrale di produzione dell'energia elettrica contiene alcune macchine motrici, ad esempio turbine idrauliche o a vapore, ciascuna delle quali aziona un alternatore. La maggior parte dell'energia elettrica mondiale prodotta per soddisfare la richiesta mondiale è generata con impianti a vapore alimentati con carbone petrolio gas o energia nucleare e, in misura minore, con impianti idroelettrici, diesel o con motori a combustione interna

Le linee di distribuzione ad alta tensione sono realizzate, di solito, con cavi di rame o di alluminio (questi ultimi, soprattutto, con elementi portanti in acciaio), sospesi a strutture reticolari in acciaio, dette piloni o tralicci, mediante catene di isolatori in porcellana. L'impiego di cavi con struttura in acciaio e di piloni di grande altezza permette di aumentare la distanza tra questi, riducendo di conseguenza il costo delle linee. Nelle installazioni moderne con percorsi quasi rettilinei, le linee ad alta tensione possono essere realizzate con meno di quattro piloni per chilometro; per le linee locali a tensione più bassa, i tralicci sono sostituiti da palificazioni in legno o in cemento. Nelle città e nelle zone in cui le linee esterne possono creare pericolo, si ricorre generalmente all'uso di cavi di distribuzione sotterranei isolati. Alcuni di questi cavi hanno un nucleo vuoto entro il quale circola olio a bassa pressione, in modo da garantire una totale protezione dai danni causati dall'umidità, che potrebbe provocare dispersioni nel cavo. Le linee in conduttura, nelle quali molti cavi sono stesi in un tubo sigillato, riempito di olio ad alta pressione (fino a 15 atmosfere), sono usate di frequente su linee sia primarie sia secondarie con tensioni superiori ai 345 kV.

Qualsiasi sistema di distribuzione dell'elettricità coinvolge una gran quantità di apparecchiature per la protezione dei generatori, dei trasformatori e delle linee di trasmissione. Il sistema comprende spesso anche dispositivi per la regolazione della tensione fornita agli utenti e per la correzione del fattore di potenza (vedi più avanti).

Per proteggere tutti i componenti del sistema da cortocircuiti e da eventuali sovraccarichi, e anche per le normali operazioni di commutazione, si impiegano dispositivi di interruzione. Si tratta di interruttori di grandi dimensioni, alcuni dei quali agiscono automaticamente nel caso di cortocircuiti o di altri eventi che causino un repentino aumento dell'intensità di corrente. Fra i terminali di questi interruttori, quando si interrompe il flusso di corrente si sviluppa un arco elettrico, e ciò richiede l'adozione di misure particolari: molti di essi, ad esempio quelli impiegati per proteggere un generatore o una sezione di linea di trasmissione primaria, sono immersi in un liquido dielettrico come l'olio minerale, che facilita lo spegnimento dell'arco. Nei grandi interruttori operanti in aria, come in quelli in olio, vengono utilizzati anche campi magnetici per interrompere l'arco. Piccoli interruttori operanti in aria libera vengono usati a scopo di protezione nei negozi, nelle fabbriche e in tutti gli impianti domestici. In questi impianti, una volta, venivano comunemente usati per lo stesso scopo i fusibili, che consistono in un filamento o un nastro di lega metallica a basso punto di fusione; inserito nel circuito, esso si riscalda in seguito al passaggio di corrente elettrica, fondendo (con conseguente interruzione del circuito) nel caso in cui quest'ultima superi un valore stabilito. (Vedi Salvavita

Le cadute di rete

In quasi tutto il mondo, i servizi di distribuzione locali o nazionali sono collegati in sistemi a griglia che permettono di distribuire in varie aree l'energia prodotta in una determinata zona. Ciascuna delle aziende elettriche partecipanti si avvantaggia così di una maggior capacità di riserva, dell'uso di macchine più grandi ed efficienti e della possibilità di compensare, mediante le risorse condivise, eventuali cadute locali del servizio.

Queste reti interconnesse sono grandi e complessi sistemi che comprendono elementi azionati da diversi gruppi. Esse offrono opportunità di risparmio, ma aumentano i rischi di caduta della fornitura di energia su vaste aree. Ad esempio, un disservizio della rete principale si produsse nella zona orientale del Nord America il 9 novembre del 1965, quando un dispositivo di controllo automatico dei flussi di corrente si guastò nell'Ontario, lasciando aperto un elemento di interruzione. Un picco di sovracorrente si trasmise attraverso gli Stati Uniti nordorientali e gli interruttori di sicurezza dei generatori scattarono automaticamente. La potenza generata dagli impianti più a sud subì un'impennata per supplire all'improvviso vuoto, sovraccaricando anche questi impianti che, a causa degli automatismi di protezione, si disattivarono. La caduta di energia, alla fine, coinvolse un'area di oltre 200.000 km quadrati.

I disservizi di grande estensione vengono spesso chiamati blackout. Sospensioni parziali nella distribuzione di energia (brownout) possono essere prodotte anche deliberatamente, per risparmiare elettricità o come misura di sicurezza in periodi di guerra. Per tutelarsi dalle conseguenze della mancanza di energia elettrica, ospedali, edifici pubblici, centri di calcolo e le sedi di altre attività dispongono di propri generatori di sicurezza che garantiscono la continuità almeno delle funzioni essenziali.

Regolazione della tensione

Le lunghe linee di trasmissione hanno valori non trascurabili di induttanza (Vedi Induzione capacità e resistenza. Come conseguenza di ciò la tensione che giunge agli utenti dipendente dall'assorbimento di corrente dei carichi complessivamente collegati alle linee stesse. Per evitare variazioni indesiderabili, vengono impiegati dispositivi di diversi tipi. La stabilizzazione della tensione può essere ottenuta con regolatori a induzione e con motori sincroni trifase (detti anche condensatori sincroni); entrambi i dispositivi variano il valore complessivo dell'induttanza o della capacità del circuito di trasmissione, sfruttando il fatto che gli effetti capacitici e induttivi tendono a bilanciarsi reciprocamente. Nei circuiti a corrente alternata, solo una parte della corrente (quella in fase con la tensione), dà luogo a una effettiva trasformazione di energia, quindi porta potenza al carico; il rapporto tra questa quota di corrente e la corrente complessiva è detto 'fattore di potenza'. Quando un circuito di carico ha una reattanza eccessiva, induttiva o capacitiva, come quasi sempre accade nei sistemi di grande potenza, il fattore di potenza è basso e la corrente che circola è sensibilmente maggiore di quella realmente utile per il trasporto della potenza richiesta. Poiché le perdite sono proporzionali alla corrente, conviene aggiungere, se possibile, capacità in parallelo ai carichi induttivi (e viceversa) per rendere il fattore di potenza il più possibile prossimo a 1. Per questa ragione, nei sistemi di trasmissione di potenza si inseriscono spesso grandi condensatori (detti 'di rifasamento').

La produzione mondiale di energia elettrica

Tra il 1950 e il 1990, la produzione e il consumo mondiali di energia salirono da poco meno di 1000 miliardi di kilowattora (kWh) a oltre 11,5 miliardi di kWh. Nel contempo cambiarono anche le modalità di generazione dell'energia. Nel 1950 circa due terzi dell'energia prodotta erano di origine termica (sistemi a vapore) e circa un terzo di origine idroelettrica. Nel 1990 le centrali termiche producevano ancora circa due terzi dell'energia totale, gli impianti idroelettrici erano scesi sotto il 20% e gli impianti a energia nucleare ne fornivano circa il 15%. A causa delle preoccupazioni relative alla sicurezza degli impianti e allo smaltimento delle scorie radioattive, alcuni paesi, tra i quali l'Italia, sospesero tutte le attività di sfruttamento dell'energia nucleare e il servizio delle centrali; in altri stati, come negli Stati Uniti, la crescita del nucleare subìto comunque un serio rallentamento. Per contro in Francia, leader mondiale nell'uso dell'energia nucleare, le centrali termonucleari coprono circa il 75% della produzione nazionale.