Le reti elettriche

 

Un carro azionato da molti pedali
fotografato da Derrick a Puerto Vallarta
(Messico) nel 2021

Questa è una breve introduzione per non esperti a come funzionano i sistemi che ci forniscono elettricità

Possiamo immaginare l’energia che circola nelle reti elettriche che alimentano case e aziende come un impulso con una ripetizione di 50 spinte al secondo (in alcuni paesi 60). Questo tipo di elettricità la chiamiamo corrente alternata e il numero corrisponde alla frequenza dell’impulso e si misura nel Sistema Internazionale in Hertz (Hz).

Chi ha una certa età e ha vissuto in case senza adeguata protezione dalle folgorazioni (cioè senza il cosiddetto salvavita) se ha preso la scossa ricorda bene una tipica sensazione di tremore: si tratta della mitragliata di impulsi della corrente alternata.

Gli apparecchi elettrici sono fatti per trasformare questi impulsi in lavori utili (luce, calore, movimenti, elaborazioni attraverso circuiti elettronici) e tipicamente hanno bisogno che la frequenza sia costante e predefinita, salvo non funzionare correttamente o danneggiarsi.

Non è solo la frequenza a caratterizzare un sistema elettrico. Un altro dato è la quantità di energia che viene resa disponibile in ogni momento dagli impianti di produzione elettrica, che nell’unità di tempo chiamiamo potenza. Nelle bollette a casa paghiamo il volume di energia consumato ma anche la potenza massima che possiamo prelevare istantaneamente, oltre la quale “scatta il contatore”. Quindi se scatta il contatore non è perché abbiamo consumato cumulativamente troppo, ma perché in un preciso momento abbiamo richiesto più potenzia di quella che contrattualmente possiamo assorbire, per esempio accendendo tutti insieme troppi elettrodomestici.

Perché non scatti il contatore di una rete elettrica, serve che la potenza assorbita in ogni momento sia uguale a quella prodotta. Se la prima supera la seconda, la frequenza tende a ridursi, e viceversa.

La similitudine del tandem (copyright Derrick)

Possiamo immaginare il sistema come un tandem composto di tante coppie di pedali quanti sono gli impianti di produzione elettrica. La potenza che i generatori immettono è la forza con cui spingono sui pedali, e la frequenza è la velocità delle pedalate. Se la domanda di energia cresce, è come se il tandem dovesse affrontare una salita: serve pedalare con più potenza. Ma se la salita è troppo erta per le forze dei pedalatori, questi potrebbero iniziare a non farcela e far calare la velocità della pedalata, cioè la frequenza. Sotto una certa velocità di pedalata, il tandem non riuscirebbe nemmeno più a stare in equilibrio, si fermerebbe e a quel punto sarebbe difficile ripartire da fermi in salita.

Allo stesso modo è complicato riattivare una rete in blackout e può essere fatto solo sezionandola e facendola ripartire per aree successive ricollegando gli utilizzatori in modo graduale.

La frequenza come parametro di stabilità della rete

I gestori delle reti elettriche hanno una serie di strumenti per correggere le deviazioni di frequenza prima che diventino critiche. Uno è modulare la potenza di impianti in servizio, un altro successivo è chiamare in servizio impianti tenuti appositamente in stand-by per riserva. Si può anche chiedere (anche in modo automatico) a consumatori disposti e attrezzati a farlo di ridurre la potenza richiesta, rimandando i consumi.

Il primo supporto tradizionalmente avviene (o meglio, sempre di più: avveniva) grazie agli alternatori sincroni (cioè in fase con la frequenza della rete) delle centrali convenzionali, che con l’inerzia della propria rotazione oppongono resistenza a modifiche della velocità stessa, e quindi alla frequenza della rete. Per questo tipicamente i gestori di rete richiedono (sempre di più: richiedevano) la presenza in servizio di un certo numero di queste macchine.

Altre macchine che immettono energia nella rete, come il fotovoltaico o le batterie, non producono attraverso alternatori rotanti, bensì generando energia inizialmente in forma di corrente continua (un unico impulso continuo, senza alcun ciclo). In questo caso la trasformazione in corrente alternata da immettere in rete avviene con macchine elettroniche dette inverter. Le quali possono avere caratteristiche “grid forming”, cioè essere in grado di stabilire la frequenza e non solo di assecondare quella già in rete. Generatori associati a inverter grid forming contribuiscono quindi alla stabilità della frequenza e possono anche concorrere a riattivare una rete in blackout.

(Un tipo più semplice di inverter in grado di modificare la frequenza è quello presente nelle lavabiancheria moderne. Serve a variare in modo continuo la velocità del motore sincrono agendo, appunto, sulla frequenza della corrente alternata che alimenta il motore).

L’equilibrio tra potenza prodotta e utilizzata

L’elemento fondamentale della sicurezza di una rete rispetto al rischio di blackout è la disponibilità di abbastanza riserva di potenza perché la richiesta sia sempre soddisfatta, pur in un contesto di domanda solo in parte prevedibile.

Se anche una parte della produzione elettrica non è, o non del tutto, programmabile (come quella proveniente da impianti solari ed eolici) o non è flessibile (come le centrali nucleari) serve dotarsi di maggiori quantità di riserva pronta a intervenire e di accumuli per stoccare l’energia in sovrappiù. Gli accumuli possono fare entrambe le cose: supportare l’equilibrio della rete immettendo più potenza quando serve, e stoccare l’energia che i consumi del momento non assorbono.

Tensione, distanza, interconnessioni

Un altro parametro-chiave dell’elettricità è la tensione. Se immaginiamo la corrente come un flusso – eventualmente alternato - di un fluido, la tensione può essere paragonata alla pressione del fluido. Maggiore è la tensione, minori sono le perdite di energia nel trasporto, perché l’alta tensione richiede un flusso minore a parità di energia trasportata. Le reti moderne utilizzano tensioni sempre più alte, in particolare per le connessioni a lunghissima distanza in corrente continua usate in modo crescente per interconnettere reti non sincrone tra loro.

La gestione in sicurezza di un sistema elettrico è un fatto sempre più statistico, perché richiede il dimensionamento di tutte le componenti in modo tale da non trovarsi mai senza risorse sufficienti a mantenere il sistema in equilibrio in qualsiasi evenienza abbia una probabilità non del tutto irrilevante di realizzarsi. Più le reti sono vaste e interconnesse, maggiore è il numero di macchine di generazione e di consumo che vengono collegate, rendendo a parità di energia gestita più bassa la volatilità dell’aggregato. Quindi più è vasta una rete elettrica più è improbabile che vada in crisi e più le sarà facile gestire situazioni locali eccezionali in termini di produzione o consumo, o guasti.