Rete elettrica

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Schema di rete di distribuzione elettrica

Una rete elettrica è una tipologia di rete indispensabile per effettuare il passaggio di energia elettrica dai fornitori ai consumatori. Si tratta di una rete elettrica di potenza collegata a centrali elettriche che inizialmente producono energia elettrica poi trasportata ad alta tensione (rete di trasmissione) fino a cabine elettriche di trasformazione a media e bassa tensione e da qui fino ai centri di domanda attraverso le linee di distribuzione che raggiungono i singoli clienti/utenti finali (rete di distribuzione)[1].

Le centrali elettriche spesso sono poste vicino a una fonte di energia a combustibili fossili, vicine ad una diga, o in zone che utilizzano le fonti di energia rinnovabili, e sono situate lontano da aree densamente popolate. La loro grandezza permette di sfruttare le economie di scala. La potenza elettrica viene generata ad alta tensione per ottenere maggiori efficienze di trasporto nella rete di trasmissione elettrica.

La rete di trasmissione di energia di massa si muove lungo le distanze di potenza e può attraversare i confini internazionali. Questa non si interrompe fino a che non raggiunge il suo cliente all'ingrosso che di solito è una società che possiede la rete locale di distribuzione di energia elettrica.

Quando arriva a una sottostazione, il suo potere viene trasmesso da una tensione di livello di trasmissione ad un livello di tensione di distribuzione. All'uscita dalla cabina vi è il cablaggio di distribuzione. Infine, al momento dell'arrivo in posizione di servizio, la potenza è di nuovo portata dalla tensione di distribuzione alla tensione di servizio richiesto.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Inizialmente l'energia elettrica veniva prodotta vicino al dispositivo o al servizio che richiedeva l'energia. Nel 1880 l'elettricità era facilmente sostituibile con il vapore, con l'idraulica, e in particolare con il gas di carbone; questo era prodotto prima nei locali del cliente e successivamente si è evoluto in impianti di gasificazione che hanno usufruito delle economie di scala. Le città del mondo industrializzato avevano reti di distribuzione di gas e le utilizzavano per l'illuminazione. Successivamente si notò che le lampade a gas producevano poca luce, il calore veniva sprecato, le camere diventavano calde e fumose e inoltre avvenivano delle fuoriuscite di idrogeno e monossido di carbonio. Così nel 1880 la luce elettrica divenne molto più vantaggiosa dell' illuminazione a gas.

In seguito la società di servizi elettrici ha approfittato di economie di scala e si è spostata nel sistema di generazione centralizzata della potenza elettrica, nella sua distribuzione e gestione[2]. Grazie alla trasmissione di potenza a lunga distanza è stato possibile interconnettere diverse stazioni per equilibrare i carichi e migliorare i fattori di carico.

Nel 1901[3] in Regno Unito, Charles Merz, partner della consulenza Merz & McLellan, ha edificato la centrale elettrica di Nettuno Bank vicino a Newcastle upon Tyne, mentre nel 1912 fu sviluppato il più grande sistema di alimentazione integrato in Europa[4]. Charles Merz fu nominato capo di una commissione parlamentare e le sue scoperte, nel 1918, hanno portato alla relazione Williamson. Un anno dopo ha fatto una proposta di legge per l'approvvigionamento elettrico: questo primo disegno di legge è stato il primo passo verso un sistema elettrico integrato e, nel 1926, l'atto sull'energia elettrica ha portato alla creazione della Rete di Trasmissione Nazionale[5]. Poi, il Consiglio Centrale Elettrico ha standardizzato la fornitura di energia elettrica della nazione e ha stabilito la prima rete AC in esecuzione a 132 kV - 50 Hertz. Dopo questo avvenimento, nel 1938, il Consiglio Centrale Elettrico ha cominciato ad operare come un sistema nazionale, la National Grid.

Negli Stati Uniti nel 1920, vengono fatte operazioni congiunte al fine di condividere la copertura del carico di picco e di alimentazione di backup. Nel 1934, con il passaggio della Public Utility Holding Company Act (USA), le utenze elettriche sono state riconosciute come beni pubblici di importanza e hanno avuto limitazioni e supervisioni regolamentate delle loro operazioni. In seguito, nel 1992, l'Energy Policy Act ha ottenuto che la proprietà della linea di trasmissione fosse suddivisa fra le varie società di generazione elettrica consentendo un libero accesso alla rete[2][6] e ha portato l'industria elettrica a una ristrutturazione nel tentativo di creare concorrenza nella produzione di energia; così le utenze elettriche non erano più costruite come monopoli verticali, in cui la generazione, trasmissione e distribuzione erano in mano a una singola azienda. Attualmente le tre fasi possono essere divise tra le varie aziende, nel tentativo di fornire equa accessibilità per la trasmissione ad alta tensione[7]. L'Energy Policy Act del 2005, ha concesso incentivi e garanzie sui prestiti per la produzione di energia alternativa e ha proposto tecnologie innovative che evitano emissioni di gas serra.

In Francia, l'elettrificazione ha avuto inizio nel 1900, con 700 comuni nel 1919, e 36.528 nel 1938. Allo stesso tempo, le reti vicine si cominciarono a interconnettere: Parigi nel 1907 a 12kV, i Pirenei nel 1923 a 150 kV, e, nel 1938, quasi tutte le reti del paese erano interconnesse a 220 kV, diventando nel 1946 la rete più densa del mondo. In quell'anno la Francia nazionalizza l'industria, unendo le aziende private come Électricité de France. La frequenza è stata standardizzata a 50 Hz, e la rete a 225 kV sostituisce quelle a 110 e 120 kV. Dal 1956, la tensione di distribuzione in bassa tensione è standardizzata in 220 / 380 V, in sostituzione del precedente 127 / 220 V. Durante gli anni '70 è stato implementato il nuovo standard europeo di trasmissione a 400 kV.

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

Geografia delle reti di trasmissione[modifica | modifica wikitesto]

Le reti di trasmissione sono molto complesse e con percorsi ridondanti, come si può vedere nella mappa degli Stati Uniti con rete di trasmissione ad alta tensione.

Una rete sincrona è formata da un gruppo di aree tutte operanti in corrente alternata (AC) a frequenza sincronizzata. Ciò permette la propagazione di energia in tutta la zona e il collegamento di un grande numero di generatori di energia elettrica e di consumatori, permettendo un mercato elettrico più efficiente. In una rete sincrona tutti i generatori funzionano non solo alla stessa frequenza, ma anche con la stessa fase. Ciascun generatore, mantenuto da un regolatore locale, modella la coppia motrice controllando l'alimentazione del vapore alla turbina guida. La generazione e il consumo devono essere equilibrate in tutta l'intera rete perché l'energia viene consumata quasi istantaneamente al momento della sua produzione. L'energia viene immagazzinata in brevissimo termine dall'energia cinetica rotazionale dei generatori.

Un importante guasto in una parte della rete, non tempestivamente compensato, può causare la ridirezione della corrente stessa che fluisce dai restanti generatori ai consumatori su linee di trasmissione di capacità insufficiente, causando ulteriori guasti. Un aspetto negativo di una rete ampiamente collegata è quindi la possibilità di guasti a cascata e la diffusa interruzione di corrente. L'autorità centrale è un organo competente designato a facilitare la comunicazione e sviluppare protocolli per mantenere una rete stabile. Ad esempio, il Nord America Reliability Electric Corporation ha acquisito poteri vincolanti negli Stati Uniti nel 2006, e ha poteri consultivi nelle parti applicabili del Canada e del Messico. Il governo degli Stati Uniti ha anche definito la National Interest Electric Transmission Corridors, dove si ritiene che i colli di bottiglia della trasmissione si siano sviluppati.

Alcune aree, come ad esempio le comunità rurali in Alaska, non funzionano su una rete di grandi dimensioni, basandosi invece su generatori diesel locali[8].

Le linee in corrente continua ad alta tensione possono essere utilizzate per collegare due reti alternate che non sono sincronizzate tra loro. Questo offre il vantaggio di interconnessione senza la necessità di sincronizzare un'area più estesa. Si può confrontare la vasta mappa della griglia sincrona dell' Europa con la mappa delle linee HVDC.

Struttura delle reti di distribuzione[modifica | modifica wikitesto]

La conformazione di un rete può variare a seconda del budget a disposizione, dei requisiti di affidabilità del sistema, e delle caratteristiche del carico e della generazione. L'impianto fisico di una rete elettrica è spesso influenzato dalla tipologia di terreno e dalla sua geologia. Le reti di distribuzione sono principalmente divisi in due tipi: radiali e di rete[9].

La topologia più economica e più semplice per una rete di distribuzione o trasmissione è quella ad albero, dove il potere energetico si irradia in linee di tensione progressivamente più basse, fino al raggiungimento delle case e aziende di destinazione. Questa tipologia si chiama struttura radiale.

La maggior parte delle reti di trasmissione offrono l'affidabilità che le reti a maglie più complesse forniscono. Il costo delle topologie a maglia limita la loro applicazione alle reti di trasmissione e di distribuzione di media tensione. La possibilità che un flusso eccessivo di energia faccia insorgere dei guasti è facilmente gestita deviando l'alimentazione, mentre i tecnici si occupano della riparazione della linea danneggiata, disattivandola.

Altre varietà utilizzate sono sistemi in loop e si trovano in Europa e in reti ad anello legate.

In città e paesi in Nord America, la rete tende a seguire il classico disegno a raggiera. Una sottostazione riceve l'alimentazione dalla rete di trasmissione, l'energia viene passata a un trasformatore e inviato agli alimentatori che si dirigono in tutte le direzioni attraverso la campagna. Questi alimentatori portano alimentazione trifase e tendono a seguire le principali strade nei pressi della sottostazione. La struttura ad albero cresce verso l'esterno dalla sottostazione, e per ragioni di affidabilità, di solito contiene almeno una connessione di backup collegata alla sottostazione vicina. Questa connessione può essere attivata in caso di emergenza, in modo che una parte del territorio di servizio di una sottostazione può essere alternativamente alimentato da un'altra sottostazione.

Ridondanza e la definizione di "rete"[modifica | modifica wikitesto]

Una città raggiunge il collegamento alla rete quando è collegato a diverse fonti ridondanti, che in genere comporta la trasmissione a lunga distanza.

Questo eccesso è limitato. Esistono reti nazionali o regionali che semplicemente forniscono l'interconnessione di servizi da utilizzare anche se la ridondanza è disponibile. La fase esatta dello sviluppo in cui la struttura di alimentazione diventa una rete è arbitraria. Allo stesso modo, il termine della rete nazionale è qualcosa di antiquato in molte parti del mondo, infatti i cavi di trasmissione ora attraversano spesso i confini nazionali. Il termine della rete di distribuzione per le connessioni locali e la rete di trasmissione per le emissioni a lunga distanza sono quindi preferite, ma la rete nazionale è spesso ancora usata per la struttura complessiva.

Rete interconnessa[modifica | modifica wikitesto]

Le utenze elettriche tra le regioni sono molte volte interconnesse per una maggiore economia e affidabilità. Le interconnessioni consentono economie di scala e permettono all'energia di essere acquistata da grandi fonti efficienti. Gli utilizzatori possono trarre energia da riserve generate da una regione diversa, al fine di assicurare continuità, energia affidabile e diversificare i loro carichi. L'interconnessione consente alle regioni di avere accesso all'energia di massa a basso costo per la ricezione di energia elettrica da fonti diverse. Ad esempio, una regione può avere produzione di energia idrica a basso costo durante i periodi di alta marea, ma nelle stagioni di bassa marea, un altro settore può avere la produzione di energia più conveniente attraverso il vento, che consente a entrambe le regioni di accedere a fonti di energia più conveniente durante diversi periodi dell'anno. Le utilità vicine aiutano anche gli altri a mantenere la frequenza complessiva del sistema e anche a aiutare a gestire i trasferimenti di legame tra le regioni di utilità[7].

Infrastrutture antiche[modifica | modifica wikitesto]

Nonostante gli accordi istituzionali e i progetti di rete della rete elettrica, le sue infrastrutture di erogazione di potenza subiscono l'invecchiamento in tutto il mondo sviluppato. I fattori che contribuiscono allo stato corrente della rete elettrica e le sue conseguenze comprendono:

  • attrezzature obsolete - le attrezzature più vecchie hanno i più alti tassi di fallimento, con tassi di interruzione di fornitura che interessano sia l'economia che la società; oltre a ciò, le attività e le strutture più grandi portano a maggiori costi di manutenzione e di ispezione.
  • impianto di sistema obsoleto - le zone più vecchie richiedono seri siti di sottostazioni aggiuntivi e diritti di passaggio che non possono essere ottenuti in zona corrente e sono costretti a usare esistenti, strutture insufficienti.
  • ingegneria obsoleta – gli strumenti tradizionali di pianificazione, di erogazione di potenza e l'ingegneria sono inefficaci per affrontare i problemi attuali di apparecchiature vecchie, impianti di sistema obsoleti, e moderni livelli di carico deregolamentati ad vecchio valore culturale.
  • progettazione - L' ingegneria di funzionamento del sistema utilizza concetti e procedure che hanno funzionato finché i sistemi erano integrati verticalmente nell'industria e che aggravano il problema in un settore deregolamentato[10].

Tendenze moderne[modifica | modifica wikitesto]

Con il XIX secolo avanza, il settore dei servizi elettrici cerca di trarre vantaggio da nuovi approcci per soddisfare la crescente domanda di energia. Le utenze sono sotto pressione per l'evoluzione delle loro topologie classiche per accogliere la generazione distribuita. Mentre la generazione diventa più comune da generatori solari sul tetto e dal vento, le differenze tra reti di distribuzione e di trasmissione continuano a confondersi. Inoltre, la risposta alla domanda è una tecnica di gestione della rete in cui ai clienti al dettaglio o all'ingrosso è richiesto di ridurre elettronicamente o manualmente il loro carico. Attualmente, gli operatori delle reti di trasmissione usano risposta alla domanda per richiedere la riduzione del carico dei grandi consumatori di energia come ad esempio impianti industriali[11] attraverso servizi di Interrompibilità.

Con tutto interconnesso e la concorrenza aperta in un'economia di libero mercato, si comincia a dare senso al permesso e addirittura all'incoraggiamento della generazione distribuita (DG). I generatori di piccole dimensioni, di solito non di proprietà del programma di utilità, possono essere portati on-line e aiutano a fornire la necessità di potere. La generazione più piccola della struttura potrebbe essere un proprietario di casa con un eccesso di potere proveniente dal loro pannello o turbina eolica solare. Inoltre potrebbe anche essere un piccolo ufficio con un generatore diesel. Queste risorse possono essere portate on-line su iniziativa della utilità o dal proprietario della generazione nel tentativo di vendere elettricità. Molti piccoli generatori sono autorizzati a rivendere elettricità alla rete per lo stesso prezzo che avrebbero pagato per acquistarlo. Inoltre, numerose azioni sono in corso per sviluppare una "smart grid". Negli Stati Uniti, l'Energy Policy Act del 2005, e il tredicesimo titolo d' indipendenza energetica e Security Act del 2007, stanno fornendo fondi per favorire lo sviluppo delle smart grid. La speranza è quella di consentire utilità per prevedere meglio le loro esigenze, e in alcuni casi coinvolgere i consumatori in una qualche forma di tariffa basata sul tempo di utilizzo. I fondi sono stati stanziati per sviluppare più robuste tecnologie di controllo energetico[12][13].

Sono stati pianificati e proposti vari sistemi per aumentare drasticamente la capacità di trasmissione e sono noti come super, o griglie di mega. I vantaggi promessi includono, permettendo al settore delle energie rinnovabili di vendere energia elettrica ai mercati lontani, la capacità di aumentare l'utilizzo delle fonti energetiche intermittenti dal loro bilanciamento tra vaste regioni geologiche e la rimozione di congestione che impedisce floridi mercati dell'elettricità. L' opposizione locale alla collocazione di nuove linee e il costo significativo di questi progetti sono i principali ostacoli per le griglie di super. Uno studio di una super rete europea stima che più di 750 GW di capacità di trasmissione in più sarebbero necessario per la capacità di ospitare incrementi di 5 linee GW HVDC. Una recente proposta da Transcanada ha prezzato un 1.600-km, a 3 GW linea HVDC a $ 3 miliardi di dollari e richiede un corridoio largo. In India, un recente 6 GW, proposta 1.850-km è stato valutato a $ 790.000.000 e richiede un ampio diritto di passaggio. Con 750 GW di nuova capacità di trasmissione HVDC richiesti per una super rete europea, la terra e il denaro necessari per le nuove linee di trasmissione sarebbero considerevoli.

Tendenze future[modifica | modifica wikitesto]

La rete elettrica è prevista per evolvere verso un nuovo paradigma di griglia: smart grid, un miglioramento della rete elettrica del XX secolo. Le reti elettriche tradizionali sono generalmente utilizzate per trasportare energia da pochi generatori centrali per un gran numero di utenti o clienti. Al contrario, la nuova smart grid emergente utilizza in maniera bidirezionale flussi di energia elettrica e informazioni per creare una rete di distribuzione di energia advanced automatizzata e distribuita. Sono stati condotti molti progetti di ricerca per esplorare il concetto di smart grid. Secondo un recente sondaggio sulle smart grid[14], la ricerca è focalizzata principalmente su tre sistemi di smart grid: il sistema infrastrutturale, il sistema di gestione, e il sistema di protezione.

Il sistema delle infrastrutture è l'energia, informazioni e infrastruttura di comunicazione alla base della rete intelligente che supporta l'avanzata della generazione di energia elettrica, la consegna, e il consumo; l' avanzata delle informazioni di misurazione, il monitoraggio e la gestione; e le tecnologie di comunicazione avanzate. Nel passaggio dalla rete elettrica convenzionale per smart grid, si andrà a sostituire un'infrastruttura fisica con uno digitale. Le esigenze e le modifiche presentano il settore dell'energia, con una delle più grandi sfide mai affrontate.

Una rete intelligente consentirebbe all'industria di poter osservare le parti di controllo del sistema alla risoluzione più elevata nel tempo e nello spazio. Si consentirebbe ai clienti di ottenere risparmio economico, più verde, meno invadenza, più affidabilità e potenza di qualità superiore dalla rete. La griglia legacy non ha permesso le informazioni in tempo reale per essere trasmesse dalla rete, in modo da attuare uno degli scopi principali della rete intelligente cioè consentire informazioni in tempo reale per essere ricevute e inviate da e per varie parti della griglia per rendere il funzionamento efficiente e più semplice possibile. Ciò permetterebbe di gestire la logistica della rete e visualizzare le conseguenze derivanti dal suo funzionamento su una scala temporale ad alta risoluzione; da dispositivi ad alta frequenza di commutazione su scala microsecondo, al vento e variazioni di uscita solari su scala minuto, agli effetti futuri delle emissioni di anidride carbonica generate dalla produzione di energia su scala decennio.

Il sistema di gestione è il sottosistema di rete intelligente che fornisce servizi di gestione e di controllo avanzati. La maggior parte delle opere esistenti mirano a migliorare l'efficienza energetica, la domanda profilo, utilità, costi e emissioni, sulla base delle infrastrutture utilizzando l'ottimizzazione, apprendimento automatico, e la teoria dei giochi. Nel quadro dell'infrastruttura avanzata di smart grid, si notano nuovi servizi di gestione e di applicazioni al fine di rivoluzionare la vita quotidiana dei consumatori.

Il sistema di protezione è il sottosistema di rete intelligente che fornisce avanzate analisi dell' affidabilità della rete, della protezione fallimento, e dei servizi di sicurezza e di tutela della privacy. L'infrastruttura avanzata utilizzata nelle reti intelligenti, da un lato ci rende capaci di realizzare meccanismi più potenti per difendersi dagli attacchi e gestire gli errori dall'altro apre nuove vulnerabilità. Ad esempio, National Institute of Standards and Technology ha sottolineato che il vantaggio principale fornito da smart grid è la possibilità di ottenere i dati più ricchi da e verso clienti contatori intelligenti e altri dispositivi elettrici, inoltre può dare grandi problemi di privacy, dato che le informazioni del consumo di energia conservata dal misuratore agisce come un canale laterale ricco di informazioni. Queste informazioni potrebbero essere estratte e recuperate dalle parti interessate al fine di rivelare informazioni personali come le abitudini individuali, comportamenti, attività, e anche le credenze.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Kaplan, S. M. (2009). Smart Grid. Electrical Power Transmission: Background and Policy Issues. The Capital.Net, Government Series. Pp. 1-42.
  2. ^ a b Borberly, A. and Kreider, J. F. (2001). Distributed Generation: The Power Paradigm for the New Millennium. CRC Press, Boca Raton, FL. 400 pgs.
  3. ^ Mr Alan Shaw, Kelvin to Weir, and on to GB SYS 2005 (PDF), Royal Society of Edinburgh, 29 settembre 2005.
  4. ^ Survey of Belford 1995, North Northumberland Online.
  5. ^ Lighting by electricity, The National Trust.
  6. ^ Mazer, A. (2007). Electric Power Planning for Regulated and Deregulated Markets. John, Wiley, and Sons, Inc., Hoboken, NJ. 313pgs.
  7. ^ a b . (2001). Glover J. D., Sarma M. S., Overbye T. J. (2010) Power System and Analysis 5th Edition. Cengage Learning. Pg 10.
  8. ^ Energy profile of Alaska, United States, Editor: Cutler J. Cleveland, Last Updated: July 30, 2008 - Encyclopedia of Earth
  9. ^ Abdelhay A. Sallam and Om P. Malik, Electric Distribution Systems, IEEE Computer Society Press, May 2011, p. 21, ISBN 978-0-470-27682-2.
  10. ^ Willis, H. L., Welch, G. V., and Schrieber, R. R. (2001). Aging Power Delivery Infrastructures. Marcel Dekker, Inc. : New York. 551 pgs.
  11. ^ Industry Cross-Section Develops Action Plans at PJM Demand Response Symposium, in Reuters, 13 agosto 2008. URL consultato il 22-112008.
    «Demand response can be achieved at the wholesale level with major energy users such as industrial plants curtailing power use and receiving payment for participating.».
  12. ^ U.S. Energy Independence and Security Act of 2007, thomas.gov. URL consultato il 23 dicembre 2007. [collegamento interrotto]
  13. ^ DOE Provides up to $51.8 Million to Modernize the U.S. Electric Grid System, June 27, 2007, U.S. Department of Energy (DOE)
  14. ^ Smart Grid - The New and Improved Power Grid: A Survey; IEEE Communications Surveys and Tutorials 2011; X. Fang, S. Misra, G. Xue, and D. Yang; DOI10.1109/SURV.2011.101911.00087.