L'alimentazione elettrica è quel tipo di erogazione di energia derivante direttamente dalla elettricità e utilizzata al fine di fornire una potenza necessaria per fare funzionare un utilizzatore elettrico. Ma come arriva la corrente elettrica dalla centrale alle nostre case? Con questo articolo analizziamo i retroscena di questo affascinante mondo: dalla generazione dell'elettricità fino al consumatore finale, passando per la trasmissione e la distribuzione.
Fonti di Energia per l'Alimentazione Elettrica
L'alimentazione elettrica può essere fornita da differenti fonti di energia:
- Solare
- Idroelettrica
- Nucleare
- Eolica
- Geotermica
- Termica
L'alimentazione elettrica può anche essere fornita anche da batterie e generatori portatili e può essere utilizzata per alimentare i mezzi di trasporto elettrici, come automobili, treni e autobus.
Tipologie di Corrente Elettrica
Esistono due tipologie di corrente elettrica: corrente continua (DC) e corrente alternata (AC).
La corrente continua (DC) fluisce in una sola direzione e ha un valore costante nel tempo. È comunemente utilizzata nelle batterie e negli apparecchi elettronici che richiedono un'alimentazione a bassa tensione.
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La corrente alternata (AC) cambia direzione e valore nel tempo. Questo tipo di corrente viene utilizzato per la distribuzione di energia elettrica dalle centrali elettriche alle case, alle fabbriche e ad altre destinazioni. Gli elettrodomestici sono alimentati direttamente dall'impianto elettrico domestico attraverso le spine, con la tensione di 230 V.
Produzione di Energia Elettrica
L’energia elettrica non si trova pronta all’uso in natura e non è facile da immagazzinare, pertanto deve essere creata e utilizzata in base alla domanda degli utenti finali. Per generare elettricità sono necessarie le centrali elettriche, strutture molto complesse il cui compito è quello di trasformare il potenziale energetico caratteristico di ogni fonte primaria in energia elettrica.
Le fonti primarie di energia sono tutte quelle risorse che si trovano in natura dalle quali si può ricavare un altro prodotto energetico per trasformazione. Queste fonti le distinguiamo nel quotidiano come fonti non rinnovabili (petrolio, carbone, gas naturale, nucleare) e rinnovabili (energia solare, eolica, idraulica, geotermica e biomasse).
In base alla tipologia di fonte primaria utilizzata per alimentare la centrale elettrica avremo quindi diverse tipologie di impianti: centrali idroelettriche (che sfruttano il potenziale dell’acqua), centrali eoliche (vento), fotovoltaiche (sole) e le centrali termoelettriche che producono elettricità sfruttando il vapore prodotto per combustione (principalmente del gas naturale), per irraggiamento solare o estratto dal sottosuolo.
Esistono poi altre categorie di centrali, tutt'ora sotto studio, mirate a sfruttare i moti e le forze cicliche rinnovabili del nostro pianeta come, per esempio, le onde e le correnti marine.
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Tipologie di Centrali Elettriche
Impianto per la produzione di energia elettrica su scala industriale. Elementi essenziali di una centrale sono i generatori elettrici e i motori (motori primi) destinati ad azionare i generatori; completano l’impianto gli organi di manovra, di regolazione e di protezione, i quadri con gli strumenti di misura e di controllo, le apparecchiature ausiliarie.
Di solito fa parte della centrale, come impianto annesso, una stazione di trasformazione per elevare la tensione prodotta e alimentare le linee di trasporto a distanza dell’energia elettrica. A seconda del tipo di energia che viene trasformata in energia elettrica, si distinguono:
- Centrali idroelettriche: utilizzano l’energia meccanica di masse d’acqua per azionare turbine idrauliche accoppiate ai generatori.
- Centrali termoelettriche: trasformano l’energia termica sviluppata da combustibili fossili (carbone, olio ecc.) e utilizzano l’espansione dei gas combusti o del vapor d’acqua prodotto ad alta pressione in apposite caldaie.
- Centrali elettronucleari: il vapore, da inviare in turbina, viene ottenuto a partire da energia termica sviluppata da combustibile nucleare (uranio, plutonio, ecc.).
- Centrali geotermoelettriche: sfruttano vapor acqueo di origine endogena terrestre per azionare turbine a bassa pressione.
- Centrali elioelettriche (o solari): utilizzano il calore raggiante solare.
Suddivisione delle Centrali Elettriche in Italia
Suddivisione per tipologia di centrali elettriche installate in Italia al 2021, in termini assoluti e relativi della potenza installata. Osservando il grafico è possibile notare alcune informazioni rilevanti:
- Quasi la metà della potenza installata è coperta da centrali che sfruttano fonti rinnovabili.
- Le centrali idroelettriche e il fotovoltaico coprono ognuna circa il 20% della capacità.
- Le centrali geotermiche invece si ritagliano solamente l'1% della torta.
Quest'ultimo dato è dovuto al fatto che tutte le zone dove esiste attività geotermica in Italia (principalmente in Toscana) sono sfruttate al massimo ma la disponibilità di questa fonte energetica è molto limitata.
Trasmissione dell'Energia Elettrica
Tutta l’energia prodotta dalle centrali viene elevata di tensione tramite i trasformatori e quindi raccolta dalle linee di trasmissione per essere trasportata alle linee di distribuzione.
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La trasmissione è composta da più di 74 mila chilometri di linee elettriche e da 431 stazioni elettriche di trasformazione e smistamento. L’elettricità si trasmette attraverso elettrodotti in alta tensione, sia di tipo aereo che in cavo.
Le linee aeree sono formate da conduttori nudi in acciaio e alluminio sorrette da grossi tralicci; le linee in cavo invece sono composte da conduttori (in alluminio o rame) isolati con materiali plastici o gomme e posate in seguito su pali, sottoterra o su fondali marini.
Le stazioni di smistamento e trasformazione invece sono delle infrastrutture di rete puntuali che si sviluppano su una superficie circoscritta di qualche migliaio di metri quadrati. Questi impianti possono essere visti come gli “incroci stradali” della rete elettrica, ovvero i nodi dove più elettrodotti si uniscono per diramarsi verso altre destinazioni lungo la penisola italiana.
In queste stazioni possono anche avvenire ulteriori trasformazioni della tensione e della corrente (mediante i trasformatori), allo scopo di ottimizzarne il "trasporto" e minimizzare le perdite di energia lungo la rete.
In Italia il Transmission System Operator (TSO - Operatore del sistema di trasmissione) ovvero il proprietario e gestore dell’infrastruttura di trasmissione è Terna. Questo settore, a differenza della generazione, non è più gestito in regime di libero mercato: qui il gestore è un unico soggetto su tutto il territorio nazionale che agisce in regime di monopolio.
Essendo Terna da sola ad operare in questo settore della filiera elettrica, affinché operi correttamente nei confronti di tutti noi consumatori, è soggetta ad un costante e scrupoloso monitoraggio dei costi e delle attività da parte dall’Autorità per l’energia reti e ambiente (ARERA), un ente pubblico amministrativo indipendente (istituito con la legge n. 481 del 1995) che opera per garantire la promozione della concorrenza e dell'efficienza nei servizi di pubblica utilità e tutelare gli interessi di utenti e consumatori.
Distribuzione dell'Energia Elettrica
Le cabine primarie sono simili per costruzione (e per dispositivi installati) alle stazioni di smistamento e trasformazione viste in precedenza. La principale differenza sta nel fatto che queste cabine non sono di proprietà di Terna ma della società distributrice e segnano il punto di confine tra la trasmissione e la distribuzione.
In queste cabine sono presenti i trasformatori alta/media tensione che trasformano il livello di tensione utilizzato da Terna (tipicamente 220 kV o 130 kV) ad un livello più basso, definito di media tensione, tipicamente di 15 o 20 kV. Da qui partono tutte le linee di media tensione (aeree o in cavo) che si diramano per le nostre città o compagne. La rete italiana di media tensione si sviluppa per ben 350 mila chilometri.
La media tensione però presenta ancora un valore troppo elevato di tensione da poter essere gestito dalle nostre apparecchiature elettriche, ed ecco che quindi entrano in gioco le cabine secondarie, impianti decisamente più piccoli delle cabine primarie ma che hanno lo stesso scopo: trasformare ulteriormente la tensione abbassandola al valore di 400V trifase per le attività commerciali o piccole imprese e 230V monofase per le nostre abitazioni.
Rimane quindi l’ultimo tratto di rete, quello di bassa tensione, dalle cabine secondarie fino all'utente finale. Anche in questo caso le linee possono essere aeree o interrate, tipicamente in cavo e in Italia si stima uno sviluppo di ben 780 mila chilometri.
Arrivati alla fine del percorso troviamo gli utenti, con il proprio impianto privato: a segnare il confine tra la rete pubblica e quella privata nonché a misurare l'energia che viene consumata dalle apparecchiature troviamo il contatore elettronico.
Come per la trasmissione anche la distribuzione non viene gestita in regime di libera concorrenza ma di monopolio, sotto la stretta sorveglianza di ARERA. La differenza rispetto alla trasmissione sta nel fatto che se Terna opera in regime di monopolio nazionale, la distribuzione viene gestita invece in zone (monopolio locale); quindi, non esiste un unico soggetto a gestire l’intera rete di distribuzione ma tante società diverse che ne gestiscono una porzione (in Italia se ne contano più di 120).
Tipologie di Reti Elettriche in Bassa Tensione
Le reti elettriche in bassa tensione si distinguono in base a:
- Tipologia di corrente: AC, DC, 3(N)AC
- Tipologia e numero di conduttori attivi del sistema: L1, L2, L3, N ovvero L+, L-
- Tipologia del collegamento a terra del sistema: IT, TT, TN
La scelta del collegamento a terra deve essere effettuata con prudenza, in quanto essa determina in maniera decisiva il comportamento e le proprietà della rete ed è condeterminante per gli aspetti di utilizzo come:
- Sicurezza di alimentazione o disponibilità di energia elettrica
- Dispendio a livello d’installazione
- Manutenzione, tempi di fermo macchina
- Compatibilità elettromagnetica
Sistemi TT
Nei sistemi TT un punto è direttamente collegato a terra (collegamento a terra in funzionamento). I corpi dell’impianto elettrico sono collegati con prese di collegamento a terra, che sono elettricamente indipendenti dalla presa per il collegamento a terra del sistema.
Dispositivi di protezione ammessi:
- Dispositivo di protezione dalle sovracorrenti
- Dispositivi di protezione da correnti di guasto (RCD)
Sistemi TN
Nei sistemi TN un punto è collegato direttamente a terra e i corpi dell’impianto elettrico sono collegati con questo punto tramite conduttori di terra. Bisogna distinguere tre tipologie di sistemi TN in base alla disposizione dei conduttori neutri e di terra:
- TN-S: Nell’intero sistema viene impiegato un conduttore di terra separato
- TN-C: Nell’intero sistema le funzioni dei conduttori neutri e di terra sono combinate in un unico conduttore
- TN-C-S: In una parte del sistema le funzioni dei conduttori neutri e di terra sono combinate in un unico conduttore
Sistemi IT
Nei sistemi IT tutti i conduttori attivi sono separati da terra o un punto è collegato con la terra attraverso un’impedenza. In caso di un guasto di isolamento può pertanto fluire solo una piccola corrente di guasto, sostanzialmente provocata dalla capacità di dispersione di rete. I fusibili a monte non vengono attivati.
Centrali Elettriche a Biomasse
In questo contesto di cambiamento si inserisce la creazione e l’utilizzo di centrali elettriche alimentate da biomasse.
Come Funziona una Centrale Elettrica a Biomasse?
Le biomasse che possono alimentare una centrale elettrica possono essere di diversi tipi: legno, materiale di scarto delle lavorazioni dell’agricoltura, del giardinaggio, della manutenzione dei boschi, scarti alimentari organici e persino letame di erbivori.
Per essere bruciato, questo materiale deve essere trattato per arrivare ad una forma utilizzabile. Quindi viene prima stoccato e poi, in base al tipo di materia organica, trattato e lavorato, in modo da ottenere un combustibile in forma di cippato.
Il cippato viene immesso nel forno per la combustione. Il calore sprigionato permette l’evaporazione dell’acqua del circuito termodinamico, dove diventa vapore e attraversa le tubazioni della caldaia. L’acqua che circola all’interno della caldaia arriva dal serbatoio di deposito.
Quest’acqua, prima di entrare nel circuito termico, passa generalmente attraverso un economizzatore, dove si preriscalda con il calore residuo dei gas di combustione uscenti dalla caldaia. Questi fumi di scarico vengono sottoposti ad un processo di riciclo attraverso il forno, al fine di ridurre la concentrazione di gas incombusti e, così, sfruttare al massimo il potere calorifico e ridurre le emissioni in atmosfera.
I gas di combustione sono quindi depurati dalle particelle in sospensione che trasportano passando attraverso un filtro apposito prima di essere immessi in atmosfera attraverso il camino. Le particelle trattenute, unite alle ceneri della combustione, sono destinate alla discarica.
Come avviene anche nelle centrali tradizionali, il vapore generato nella caldaia si espande in una turbina a vapore, che può essere a bassa, media o alta pressione, che muove un generatore elettrico: da qui si genera energia elettrica, a cui viene alzato il valore di tensione prima di venire immessa nella rete di distribuzione.
Il vapore acqueo proveniente dalla turbina viene trasformato in liquido da un condensatore e inviato nuovamente al serbatoio di deposito.
Ecco una soluzione pratica e realizzabile per la produzione di energia elettrica green, sostenibile e a basso impatto ambientale.
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