La trasmissione di energia elettrica

Nel primo episodio di #missionesostenibilità andremo a parlare della trasmissione di energia elettrica.

Il settimo obiettivo dei Sustainable Development Goals (SDG) da raggiungere entro il 2030 riguarda il miglioramento dell’infrastruttura di trasmissione. Questo per garantire un accesso agevolato a coloro che, ad oggi, non lo possiedono.

Parlando di sostenibilità si potrebbe pensare che la trasmissione di energia sia meno importante della sua produzione.

In realtà tutte e tre le componenti di un sistema elettrico (di cui si è parlato brevemente in questo articolo) devono evolversi e migliorarsi continuamente.

Basti pensare che il 13% della popolazione mondiale non ha accesso a energia elettrica, un dato incredibile nel ventunesimo secolo.

Inoltre, quasi tre miliardi di persone utilizzano ancora sistemi di riscaldamento domestico a legna o carbone. Questa situazione è una delle cause che ha portato, nel 2012, ad avere più di quattro milioni di morti per cause correlate all’inquinamento domestico.

Potenziare la trasmissione di energia, parallelamente alla produzione e alla distribuzione, è uno dei metodi che abbiamo per combattere queste problematiche.

Ma quali sono gli strumenti che permettono di “spostare” energia a grandi distanze?

Si chiamano elettrodotti, forse più noti come linee elettriche, e sono l’infrastruttura di rete alla base di un sistema elettrico funzionante.

La differenza tra trasmissione e distribuzione

La prima domanda che ci si potrebbe porre è, qual è la differenza fra trasmissione di energia e distribuzione?

La risposta, semplificando, è: il livello della tensione.

Le tensioni tipiche della trasmissione sono maggiori di quelle della distribuzione.

Molto spesso, quando si fa riferimento alle linee elettriche, si parla colloquialmente di “alta tensione”.

Nello specifico si differenziano varie sezioni del sistema elettrico, in base alle tensioni (dette nominali) che lo definiscono.

Di norma, maggiore è la tensione maggiori sono le distanze che quella linea dovrà coprire. Le ragioni di questa scelta le spiegheremo a breve.

Prima di dare altri dettagli, i livelli che stiamo per definire non sono definiti da alcuna norma ma sono il risultato di una terminologia usata nella pratica corrente.

Corrente Alternata (AC) Corrente Continua (DC)
Bassissima Tensione (BBT) meno di 50 V meno di 120 V
Bassa Tensione (BT) tra 50 V e 1000 V tra 120 V e 1500 V
Media Tensione (MT) tra 1000 V e 30 kV tra 1500 V e 30 kV
Alta Tensione (AT) tra 30 kV e 130 kV oltre
Altissima Tensione (AAT) oltre

Da notare la presenza sia della corrente alternata che della corrente continua. La guerra delle correnti tra Edison e Tesla non ci appartiene più, e oggi usiamo sia la AC che la DC a seconda delle necessità.

Parlando della Rete di Trasmissione Nazionale (RTN), l’Italia vanta 22000 km di linee elettriche tra i 220 – 380 kV (dati Terna SpA, aggiornati al dicembre 2015).

Queste sono le linee che si occupano di collegare i centri di produzione (centrali o aggregati di fonti rinnovabili) con i centri abitati o le industrie, andando a energizzare gli utenti che ne hanno bisogno.

La Rete di Trasmissione Nazionale (Fonte,  download documento)

Le ragioni dell’alta tensione, l’effetto Joule

Ma perché la trasmissione di energia a grandi distanze si fa a tensioni altissime?

La ragione principale è l’efficienza del trasporto. La potenza elettrica è proporzionale ai valori di tensione e corrente (ne abbiamo già parlato qui). Maggiore è la tensione, minore è la corrente.

Riducendo la corrente andiamo a ridurre le perdite per effetto Joule che potrebbero verificarsi sulla linea. Ma cos’è l’effetto Joule?

In poche parole, una parte della potenza che voglio trasmettere viene sempre dissipata in calore. L’energia elettrica si trasforma in energia termica e il conduttore della linea si riscalda.

Questo fenomeno è legato alla corrente e all’impedenza della linea, un termine correlato al materiale che la compone e alla sua lunghezza.

Il materiale metallico utilizzato per realizzare le linee aeree di trasmissione dell’energia è, tipicamente, l’alluminio.

Questo materiale è meno conduttore del rame (utilizzato spesso per circuiti elettronici), ma è meno costoso ed è più leggero.

Considerando che una linea di trasmissione può superare i 100 km, il basso costo e la leggerezza del materiale sono fattori che non ci dispiacciono.

Il parametro che è sotto il nostro controllo rimane la corrente e, andando ad aumentare la tensione, ne possiamo ridurre il valore a parità di potenza consegnata.

Chiaramente, maggiori sono le distanze maggiori saranno le tensioni in gioco.

Per fare un esempio pratico, si può citare la linea Kita-Iwaki. Questo elettrodotto situato in Giappone è lungo ben 240 km ed è composto da due circuiti trifase a 500 kV. Numeri da far girare la testa.

Gli elettrodotti, le autostrade dell’energia

Ma come è fatto un elettrodotto?

Questa infrastruttura, pilastro della trasmissione di energia, è in realtà abbastanza semplice.

L’elemento fondamentale è, ovviamente, la linea ossia il conduttore metallico.

È stato già detto che il materiale più usato è l’alluminio, in realtà la struttura di un conduttore è un po’ più complessa.

I conduttori di energia delle linee elettriche aeree sono costituiti da dei fili che vanno a formare delle corde. I fili possono essere tutti dello stesso materiale, o possono avere uno strato esterno di materiale conduttore e uno strato metallico interno (tipicamente acciaio) che va ad aumentare la resistenza strutturale.

Conduttore bimetallico (Fonte)

Le funi (almeno tre) sono mantenute a distanza dal terreno dai sostegni, ossia i tralicci. Quando la linea è messa in sospensione si dispone a catenaria a causa del suo peso, con la parte centrale che tende a scendere verso il basso. In base alla distanza tra i sostegni, solitamente comprese tra i 200 e i 1000 metri, la forma della catenaria sarà diversa.

Dato che il sostegno è metallico, i conduttori sono collegati a esso tramite gli isolatori. Questi componenti impediscono il contatto diretto tra le parti metalliche, in modo da evitare indesiderati e pirotecnici cortocircuiti.

Chiaramente l’attenzione che andrà dedicata a questi componenti aumenta con l’aumentare della tensione.

La forma particolare degli isolatori è tale da aumentare la lunghezza del percorso minimo tra due punti a potenziali elettrici diversi. In questo modo, anche se in caso di impurità o corpi estranei, è difficile che si possa verificare una scarica (fenomeno simile alle scariche atmosferiche).

In questo video amatoriale, ma comunque molto istruttivo, possiamo assistere alla sostituzione di un isolatore su un sostengo di una linea a 132 kV.

Ma la corrente continua che c’entra?

Per ora siamo rimasti in ambito AC, ma avevamo anticipato che la trasmissione di energia non si limita alla corrente alternata.

Ci sono delle situazioni dove è inevitabile passare in corrente continua, e una di queste riguarda l’utilizzo dei cavi.

Un cavo, rispetto ad una linea aerea, è costituito da conduttori isolati tra di loro tramite materiali come PVC o polietilene reticolato.

La caratteristica di essere isolato lo rende in grado di lavorare anche a poca distanza dagli umani, eliminando la necessità di utilizzare i sostegni per il sollevamento del conduttore. Si parla in questo caso di cavi interrati, non particolarmente diffusi in alta tensione.

I cavi vanno, tuttavia, usati quando non è possibile costruire sostegni. Ad esempio per i collegamenti sottomarini.

Dovendo essere immerso in acqua, il conduttore va adeguatamente isolato e protetto con degli schermi. È necessario andare ad usare delle linee in cavo per questi collegamenti.

Nasce un problema con la corrente alternata, ossia la presenza di potenza reattiva. Per i cavi in alternata esiste, infatti, una lunghezza massima che rappresenta un limite tecnico invalicabile. Se il cavo dovesse essere più lungo, non si avrebbe il un flusso di potenza attiva dato che il cavo andrebbe a generare unicamente potenza reattiva.

In parole povere, non trasmetto energia e il mio cavo diventa del tutto inutile.

A questo punto diventa immediato pensare che in corrente continua la potenza reattiva non esiste. Problema risolto.

L’alta tensione in corrente continua (High Voltage Direct Current, HVDC) è utilizzata molto per questo tipo di applicazioni. Un esempio nostrano è il SAPEI, il cavo sottomarino che collega la Sardegna all’Italia.

Questo cavo lungo 420 km è uno dei cavi sottomarini più profondi al mondo (1600 m) ed è una realizzazione abbastanza recente considerando che è stata inaugurata nel 2011.

La trasmissione di energia tramite HVDC, tuttavia, non è un’esclusiva dei cavi sottomarini. Esistono anche lunghissime linee aeree in continua, come ad esempio la Tian–Guang. Questa linea a 500 kV DC vanta una lunghezza di ben 960 km.

Diffondere la civiltà

La trasmissione di energia è un settore che tende a passare in secondo piano, dato che fa parte del panorama.

Tutti noi, fin da bambini in interminabili viaggi in auto, abbiamo osservato linee elettriche e tralicci. Sono presenti fuori e dentro le città, e rappresentano la nostra capacità di diffondere un bene fondamentale. L’energia.

Stabilire che questo bene debba essere alla portata di tutti è fondamentale, dato che permettere il suo uso significa migliorare considerevolmente la qualità della vita.

Certamente una rete di trasmissione è inutile senza un’adeguata produzione.

Ma di questo parleremo in un altro episodio di #missionesostenibilità. Rimanete in ascolto.

Fonti

“Impianti Elettrici, Volume 1” – Fabio Massimo Gatta

“Elettrotecnica, Volume 2” – Marcello D’Amore

Kita-Iwaki powerline – Wikipedia

Tian–Guang powerline – Wikipedia

SAPEI – Wikipedia

Sustainable Goals, 7 – UN website

Catenaria – Wikipedia

Matteo Ricciardi

Ingegnere Elettrico, specializzato nella regolazione della tensione tramite compensazione reattiva e nella trasmissione di energia elettrica tramite collegamenti HVDC. Duca di Nolan (KtS)

2 pensieri riguardo “La trasmissione di energia elettrica

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