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Rete elettrica La rete elettrica è un'infrastruttura con una configurazione complessa che permette il trasferimento di energia elettrica dalle centrali di produzione agli utenti finali. StoriaIntroduzionePrima della diffusione della rete elettrica, l'energia veniva prodotta vicino al dispositivo o al servizio richiedente la stessa. Fino al 1880 all'elettricità erano preferiti il vapore, l'energia idraulica e il gas di carbone: quest'ultimo era inizialmente prodotto nei singoli locali dei clienti, successivamente furono sviluppati veri e propri impianti di gassificazione che usufruivano di economie di scala ma che richiedevano anche delle reti rudimentali per consentire la distribuzione del gas fra più impianti utilizzatori. Le città, durante il processo di industrializzazione, costruirono perciò le prime reti di distribuzione, non per l’elettricità ma per il gas, utilizzato allo scopo di illuminare. In seguito divenne però evidente che le lampade a gas erano poco efficienti: producevano poca luce, disperdevano molto calore ed erano spesso soggette a pericolose fuoriuscite di idrogeno e monossido di carbonio. Le camere dove erano presenti diventavano calde e fumose. Dal 1880 iniziò quindi ad essere preferita l'illuminazione elettrica nelle città industrializzate; venne pertanto sostituita gradualmente la produzione e la distribuzione di gas con quella dell'energia elettrica creando le prime reti di distribuzione cittadine. Grazie alle economie di scala le società di servizi elettrici si dedicarono al sistema di generazione centralizzata dell'energia elettrica, al suo trasporto e alla sua distribuzione e gestione[1]. Con la trasmissione di potenza a lunga distanza divenne possibile anche connettere diverse stazioni lontane per equilibrare i carichi e migliorare i fattori di carico. Nel Regno UnitoNel 1901[2], nel Regno Unito, Charles Merz, partner dello studio di consulenza Merz & McLellan, costruì la centrale elettrica di Neptune Bank (nei pressi di Newcastle upon Tyne), mentre nel 1912 venne sviluppato il più grande sistema di alimentazione in Europa[3]. Merz fu nominato capo di una Commissione parlamentare e le sue scoperte del 1918 portarono alla "Relazione Williamson". Un anno dopo fece una proposta di legge per l'approvvigionamento elettrico; questo disegno di legge fu il primo passo verso un sistema elettrico integrato nel 1926. La legge sull'energia elettrica portò alla creazione della "Rete di Trasmissione Nazionale"[4]. Il Consiglio Centrale Elettrico standardizzò la fornitura di energia elettrica nazionale e stabilì la prima rete a corrente alternata (AC) in esecuzione a 132 kV - 50 Hertz. Nel 1938 il Consiglio Centrale Elettrico cominciò a operare come un sistema nazionale, cioè la National Grid. Negli USANegli Stati Uniti, dal 1920, vennero effettuate delle operazioni congiunte tra vari enti al fine di condividere la copertura del carico di picco e di alimentazione. Nel 1934 con il passaggio della legge "Public Utility Holding Company Act", le utenze elettriche furono riconosciute come beni di prima necessità e ebbero limitazioni e supervisioni regolamentate delle loro operazioni. In seguito, nel 1992, l'Energy Policy Act decise che la proprietà della linea di trasmissione venisse suddivisa fra le varie società di generazione elettrica consentendo un libero accesso alla rete. Questo portò 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 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 un'equa accessibilità per la trasmissione dell’alta tensione[5]. 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 FranciaIn Francia, l'elettrificazione ha avuto inizio nel 1900, con 700 comuni nel 1919, e 36.528 nel 1938. Allo stesso tempo, le reti vicine cominciarono a connettersi: Parigi nel 1907 a 12 kV, 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 nazionalizzò l'industria, acquisendo le aziende private come Électricité de France. La frequenza è stata standardizzata a 50 Hz e la rete a 225 kV ha sostituito quelle a 110 e 120 kV. Dal 1956, la tensione di distribuzione in bassa tensione è standardizzata a 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. In ItaliaIn Italia tra il 1898 e il 1962 le attività di produzione e distribuzione dell'energia erano svolte da alcuni gruppi oligopolistici. Poi nel 1962 ci fu la nazionalizzazione dell'energia con la creazione di ENEL. Il processo ha poi invertito rotta dal 1999 a seguito del Decreto Bersani recependo la direttiva comunitaria che prevedeva la liberalizzazione del settore. Negli anni successivi l'attività di distribuzione dell'energia è stata completamente suddivisa dalle altre attività di produzione e vendita. Il trasporto dell'energia avviene sulla reti ad alta e altissima tensione gestite da TERNA, mentre la distribuzione in media e bassa tensione avviene grazie ai distributori. Il principale distributore italiano è e-distribuzione SpA che ha ereditato la parte di rete in precedenza gestita da ENEL. Tra i distributori principali abbiamo ad esempio ACEA che si occupa delle attività di diverse aree tra cui molte relative al comune di Roma. CaratteristichePer Rete Elettrica si intende una rete elettrica di potenza collegata a centrali elettriche, che inizialmente producono energia elettrica, la quale poi viene 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)[6]. Le centrali elettriche spesso sono poste vicino a una fonte di energia a combustibili fossili, a dighe o in zone che utilizzano le fonti di energia rinnovabili, 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 maggiore efficienza nel trasporto sulla rete di trasmissione elettrica. La rete di trasmissione della potenza elettrica si articola su direttrici colleganti punti anche geograficamente distanti e può attraversare i confini internazionali. Questa rete non si interrompe fino a che non si collega il produttore con la sottostazione del suo cliente all'ingrosso. Di solito è una società che possiede a valle la rete locale di distribuzione di energia elettrica. Quando arriva alla sottostazione, la potenza elettrica viene trasformata dall'alta tensione utilizzata per la trasmissione a un medio livello di tensione utilizzato per la distribuzione. La rete a media tensione si articola su cabine di distribuzione, da cui parte il cablaggio di distribuzione. Poi, all'arrivo alla posizione finale di servizio, la potenza è di nuovo portata dalla tensione di distribuzione alla tensione del servizio richiesto. Geografia delle reti di trasmissione Le reti di trasmissione sono molto complesse e sono contraddistinte da un elevato grado di magliatura. 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 gran 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, gestito da un regolatore locale, regola 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 tempo dall'energia cinetica rotazionale dei generatori. Un importante guasto in una parte della rete, non tempestivamente compensato, può causare un cambio di direzione 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, la 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 i National Interest Electric Transmission Corridors, dove si ritiene che i colli di bottiglia della trasmissione si siano sviluppati. Alcune aree, come le comunità rurali in Alaska, non funzionano su una rete di grandi dimensioni, basandosi invece su generatori diesel locali[7]. 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. Struttura delle reti di distribuzione La conformazione di una 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 divise in due tipi: debolmente magliate con esercizio radiale per la parte in MT e radiali in BT[8]. La rete in MT ha origine spesso da un unico punto di alimentazione generalmente corrispondente al trasformatore AT/MT situato in cabina primaria. Da qui si dipartono una serie di linee in media tensione che raggiungono a loro volta le cabine secondarie di trasformazione, suddivise in pubbliche che alimentano principalmente carichi residenziali e in private che alimentano utenti con fornitura in MT. La maggior parte delle reti di trasmissione offrono l'affidabilità di quelle a maglie più complesse. Il costo delle topologie a maglia limita il loro impiego nelle 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 i sistemi in loop e si trovano in Europa e in reti ad anello legate. In città e paesi del Nord America, la rete tende a seguire il classico disegno a raggiera. Una sottostazione riceve l'alimentazione dalla rete di trasmissione, l'energia passa a un trasformatore e viene inviata 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 vicina sottostazione . Questa connessione può essere attivata in caso di emergenza, in modo che una parte del territorio di servizio di una sottostazione possa essere alternativamente alimentato da un'altra. Ridondanza e definizione di "rete"Una città raggiunge il collegamento alla rete quando è connessa a diverse fonti ridondanti, che in genere consistono nella trasmissione a lunga distanza, solitamente tramite un alternatore che alza la tensione per non perdere energia lungo il tragitto. Tuttavia, 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 interconnessaLe utenze elettriche tra le regioni sono molte volte interconnesse allo scopo di diminuire i costi e aumentare l'affidabilità. Gli utilizzatori possono utilizzare energia generata in regioni anche molto distanti, al fine di assicurare continuità, energia affidabile e diversificare i loro carichi. Le interconnessioni consentono economie di scala e permettono di acquistare energia da grandi fonti efficienti, garantendo alle regioni l'accesso a energia elettrica a basso costo proveniente da più fonti. Ad esempio, una regione può produrre energia idrica a basso costo durante i periodi di alta marea. Nelle stagioni di bassa marea, invece, un'altra regione potrebbe avere energia più conveniente attraverso il vento. Questo consentirà a entrambe le regioni di accedere a fonti di energia più economiche nei diversi periodi dell'anno, e a sostentarsi reciprocamente nei periodi di bassa produzione[5]. Infrastrutture originarieNonostante nuovi accordi istituzionali e progetti di ammodernamento della rete elettrica, le sue infrastrutture originarie di erogazione di potenza subiscono l'invecchiamento in ogni parte del mondo. I fattori che incidono maggiormente sullo stato corrente della rete elettrica e determinano le sue conseguenze comprendono:
Tendenze moderneCon il XIX secolo si amplia il settore dei servizi elettrici, che cerca di trarre vantaggio da nuovi metodi di approccio per soddisfare la crescente domanda di energia. Gli utenti sono pressati dall'evoluzione a modificare la visione delle loro topologie classiche, centrale-rete-utente, per andare verso una produzione più distribuita. Mentre la produzione diventa più comune da generatori a pannelli solari sul tetto ed eolici a vento, e le caratteristiche e le differenze fra reti di distribuzione e di trasmissione cominciano 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 la risposta alla domanda per richiedere la riduzione del carico dei grandi consumatori di energia, come ad esempio impianti industriali,[10] 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 gestore del servizio elettrico, possono essere portati on-line e aiutano a fornire la potenza necessaria. La più piccola unità di produzione in questa struttura potrebbe essere rappresentata da un proprietario di casa con un eccesso di energia proveniente dal proprio pannello o da una sua turbina eolica solare. Inoltre potrebbe anche essere rappresentato da un piccolo ufficio con un generatore diesel. Queste risorse possono essere condivise in rete su iniziativa del gestore o dal produttore primario per fornire e vendere elettricità. Molti piccoli produttori individuali sono autorizzati a rivendere elettricità alla rete per lo stesso prezzo che avrebbero pagato per acquistarla. Inoltre, numerose azioni sono in corso per sviluppare una "smart grid". Negli Stati Uniti, l'Energy Policy Act del 2005, e il tredicesimo titolo dell'indipendenza energetica Security Act del 2007 stanno stanziando 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[11][12]. Sono stati progettati e proposti vari sistemi per aumentare significativamente la capacità di trasmissione, noti come griglie super o mega. I vantaggi attesi comprendono, permettendo quindi al settore delle energie rinnovabili di vendere energia elettrica ai mercati lontani, la capacità di aumentare l'utilizzo di fonti energetiche intermittenti sfruttando il loro bilanciamento su vaste aree geografiche e la rimozione delle congestioni, che limitano la realizzazione di floridi mercati dell'elettricità. Le opposizioni locali alla realizzazione 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 necessari per poter avere incrementi di capacità di 5 linee GW HVDC. Una recente proposta da Transcanada ha stimato il costo di un 1.600-km, a 3 GW linea HVDC a 3 miliardi di dollari richiedendo un'ampia zona di transito. In India, un recente 6 GW, proposta 1.850-km è stato valutato a $ 790.000.000 e richiedendo ampi diritti di passaggio. Con i 750 GW di nuova capacità di trasmissione HVDC richiesti per realizzare una super rete europea, l'utilizzo delle aree di terreno e il costo necessari per realizzare questo tipo di nuove linee di trasmissione sarebbero considerevoli. Tendenze futureSi prevede che la rete elettrica evolverà verso un nuovo paradigma di griglia: lo smart grid, che è un sostanziale miglioramento tecnico e concettuale rispetto alle reti elettriche del XX secolo. Le reti elettriche tradizionali sono generalmente utilizzate per trasportare energia da pochi generatori centrali a un grande numero di utenti o clienti finali. Al contrario, la nuova smart grid emergente utilizzerà in maniera bidirezionale sia flussi di energia elettrica che informazioni per creare una rete di distribuzione di energia avanzata, automatizzata e distribuita. Sono stati condotti molti progetti di ricerca per esplorare il concetto di smart grid. Secondo un recente sondaggio sulle smart grid[13], la ricerca è focalizzata principalmente su tre sistemi: il sistema infrastrutturale, quello di gestione e quello di protezione. Il sistema delle infrastrutture comprende l'energia, le informazioni e i sistemi di comunicazione che sono alla base della rete intelligente che supporta la generazione dell'energia elettrica, la sua consegna e il suo consumo; comprende inoltre la trasmissione e l'immagazzinamento delle informazioni di misurazione, di monitoraggio, di gestione e le relative tecnologie di comunicazione avanzate. Nel passaggio dalla rete elettrica convenzionale a una di tipologia smart grid si andrà a sostituire un'infrastruttura prevalentemente fisica con una a prevalente gestione digitale. Queste nuove esigenze e le conseguenti modifiche strutturali richieste per realizzarle mettono il settore dell'energia di fronte a una delle più grandi sfide mai affrontate. Una rete intelligente consentirebbe all'industria di controllare il suo sistema produttivo con una precisione più elevata nel tempo e nello spazio, consentendo ottimizzazioni significative. Si consentirebbe ai clienti di ottenere un risparmio economico, si incentiverebbe una società più attenta alla green economy, con meno impatto ambientale, con maggiore affidabilità e potenza, e con una qualità complessiva superiore a quella delle reti tradizionali . Il modello superato di rete a griglia legacy non permetteva alle informazioni di poter essere trasmesse in tempo reale dalla rete, in modo da attuare uno degli scopi principali della rete intelligente: consentire la gestione in tempo reale della rete a griglia, per consentire un funzionamento maggiormente efficiente e il più semplice possibile. In estrema sintesi, lo smart grid permetterà la gestione della produzione e della trasmissione dell'energia in base alle informazioni di ritorno dalle sezioni di rete e dagli utilizzatori finali, ossia realizzerà un sistema di rete a controreazione. Inoltre questa nuova tipologia di rete permetterebbe di gestire la logistica di rete e visualizzare le conseguenze derivanti dal suo funzionamento su una scala temporale con una adeguata risoluzione; inoltre permetterebbe il monitoraggio e l'intervento correttivo, attraverso dispositivi a frequenza di lavoro operanti su varie scale temporali (eventi imprevedibili quali i colpi di vento su scala dei microsecondi; variazioni dei campi magnetici solari su scala dei minuti, previsioni delle future emissioni di anidride carbonica generate dalla produzione di energia su scala decennale). Il sistema di gestione è il sottosistema di rete intelligente che fornisce servizi di gestione e di controllo avanzati. La maggior parte delle reti esistenti mirano a migliorare la propria efficienza energetica ottimizzando sia la risposta al profilo della domanda, che i costi e le emissioni, in base alle infrastrutture esistenti con l'utilizzo di algoritmi di apprendimento automatico e di teoria dei giochi. Nel quadro dell'infrastruttura avanzata della rete smart grid si notano invece nuovi servizi di gestione e di applicazioni volti a modificare la vita quotidiana dei consumatori, migliorando il risultato, ottimizzando la produzione e diminuendo ove possibile i costi. Il sistema di protezione è il sottosistema della rete intelligente che fornisce analisi avanzate dell'affidabilità della rete, sulla protezione dai guasti e dei servizi di sicurezza e di tutela della privacy. L'infrastruttura avanzata utilizzata nelle reti intelligenti, da un lato rende capaci di realizzare meccanismi più potenti per difendersi dagli attacchi e gestire gli errori, dall'altro apre nuove vulnerabilità. Ad esempio, il National Institute of Standards and Technology ha sottolineato che il vantaggio principale fornito dalla smart grid è la possibilità di ottenere una maggiore tipologia e quantità di dati, maggiore dettaglio da e verso contatori finali intelligenti e verso tutti gli altri dispositivi elettrici. Per contro, questo livello di tracciamento può creare grandi problemi di privacy, dato che le informazioni del consumo di energia raccolte dal misuratore sono un'ulteriore ricca fonte di informazioni. Queste informazioni potrebbero essere estratte e recuperate, al fine di rivelare informazioni personali del consumatore come le abitudini individuali, i comportamenti, le attività e anche le credenze sociali, religiose o comportamentali. Note
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