In questo articolo si vuole evidenziare il ruolo dell’automazione nella determinazione della sicurezza del sistema elettrico e nel miglioramento della sua efficienza energetica.
In primis, è opportuno ricordare che i sistemi elettrici, costituiti dall’insieme degli impianti di produzione, caratterizzati dalle diverse fonti primarie utilizzate, la rete di trasmissione, le reti di distribuzione e i carichi disseminati ai diversi livelli di tensione costituiscono il più diffuso sistema complesso realizzato dall’uomo. Tale sistema ha la necessità di realizzare, istante per istante, il pareggio del bilancio di potenza tra la generazione e la somma di carichi e perdite di rete. Nella pratica, questo significa che il sistema di regolazione della frequenza deve, in ogni momento, coordinare tutte le produzioni delle centrali in modo da bilanciare i carichi, che variano in maniera assolutamente aleatoria, e le perdite di trasporto, che sono legate ancora ai carichi e alla loro dislocazione sul territorio nonché alla localizzazione delle generazioni in esercizio in quel momento. Questo controllo è distribuito tra le centrali, a livello nazionale, ed è inoltre coordinato tra le varie aree che devono coordinare anche i flussi di potenza tra le reti nazionali. Se ciò non avviene, la frequenza delle reti - come noto, in corrente alternata - non è regolata al valore nominale di 50 Hz (in Europa) ed è possibile che il sistema collassi. Il problema ora evidenziato è quindi legato alla sicurezza del sistema complesso. Tra l’altro, si comprende molto bene come un problema locale possa, in tempi praticamente nulli, propagarsi anche a grandi distanze e quindi riguardare enormi estensioni geografiche.
L’automazione delle reti per la sicurezza entra in gioco anche nelle reti di distribuzione (parliamo di livelli di tensione di 10-24 kV per la cosiddetta media tensione, Mt, e 400 V per la bassa tensione, Bt): ad esempio, nel momento in cui si verifica un cortocircuito è necessario isolarlo con l’apertura di un interruttore per limitarne le potenzialità distruttive. Ma, al tempo stesso, è necessario limitare la durata e l’estensione delle interruzioni alle utenze sottese. A questo scopo si attuano procedure automatiche per la ricerca del guasto e per la riconfigurazione della rete in modo da diminuire i tempi di indisponibilità dell’energia elettrica alle utenze. Tali logiche hanno consentito di realizzare significativi passi in avanti nella cosiddetta qualità del servizio e proprio in Italia è in vigore una normativa all’avanguardia in Europa per la tutela degli utenti a fronte delle interruzioni.
Esiste tuttavia un altro fronte dell’automazione nelle reti elettriche che, pur essendo legato anch’esso alla sicurezza, rende possibile l’ottimizzazione dei flussi di potenza secondo diverse funzioni obbiettivo e in particolare consente di ottenere benefici sul fronte dell’efficienza energetica. Anche in questo caso, è opportuno separare nella trattazione le reti di trasmissione da quelle di distribuzione, date le diverse prospettive e caratteristiche.
Ottimizziamo i flussi
Per quanto riguarda la rete di trasmissione, si può conseguire una maggiore efficienza ottimizzando i flussi di potenza nella rete. Com’è noto, infatti, un conduttore percorso da corrente è sede di perdite per effetto Joule, talché non tutta la potenza che entra ad un estremo della linea elettrica ne esce: esse dipendono dal tipo di conduttore (materiale, sezione, costituzione), dalle condizioni atmosferiche (temperatura), dalla corrente circolante e in ultima istanza dalle tensioni alle estremità della linea elettrica. Una volta fissate tutte queste condizioni, quindi, è possibile ottimizzare il percorso delle potenze nella rete secondo funzioni obbiettivo da definire. Questo tipo di ottimizzazione è perseguito, in diversi orizzonti temporali, dal centro di controllo della rete di trasmissione. In Italia, Terna, la società che gestisce la trasmissione, non ha la facoltà di ottimizzare il dispacciamento della potenza attiva nella rete (i MW): esso infatti è determinato dal mercato elettrico che, si suppone, è in grado di massimizzare il beneficio sociale. Però, come ben noto a chi ha studiato i rudimenti dell’elettrotecnica, le correnti negli elettrodotti, che determinano le perdite di potenza, dipendono anche dai flussi di potenza reattiva (i Mvar); essi dipendono in modo importante dalle tensioni e il loro percorso può essere ottimizzato per minimizzare le perdite di rete. Ciò avviene grazie ad opportuni programmi di calcolo che determinano, nei nodi ove è possibile esercitare un controllo delle tensioni (tipicamente i nodi cui sono collegate le centrali elettriche), i valori ottimi delle tensioni. Si tratta dei cosiddetti Optimal Reactive Power Flow, programmi utilizzati quotidianamente nei centri di controllo delle reti di trasmissione sulla base delle previsioni dei carichi e del dispacciamento per il giorno dopo, e talvolta anche on-line il giorno stesso, per correggere le impostazioni predeterminate in modo da tenere conto degli inevitabili scarti tra la previsione e la situazione che si determina nel tempo reale. L’efficacia di questi programmi di ottimizzazione (il cui scopo, poi, è anche quello di garantire un elevato livello di sicurezza a fronte di possibili guasti e perturbazioni - si parla allora di Security Constrained Optimal Reactive Power Flow) consente di ottenere benefici, in termini di riduzioni delle perdite, dell’ordine di qualche punto percentuale. Per l’Italia, ciò corrisponde grosso modo a un risparmio di energia per circa 100 GWh/anno, al cui valore economico bisogna aggiungere circa 60.000 t/anno di emissioni di CO2 evitate.
Rendiamo intelligenti le reti
Anche le reti di distribuzione beneficiano dei progressi nel campo dell’automazione. La caratteristica di queste reti è di avere una struttura radiale e di essere state progettate per essere percorse da flussi di potenza in modo prevalentemente unidirezionale, dalle tensioni più alte a quelle inferiori. Per la distribuzione Mt e Bt, data la semplicità e la notevole consistenza in termini di sviluppo complessivo, la ricerca nel settore dell’automazione non è stata particolarmente incoraggiata, poiché non c’era sostanzialmente incentivo ad investire. Oggi, la normativa e la legislazione in tema d’interruzioni hanno stabilito la possibilità di indennizzi a favore degli utenti e questo ha fatto sì che sia diventato importante, per i distributori, investire in sistemi di protezione e controllo che facilitino il più possibile l’eliminazione selettiva e rapida dei guasti, il controllo delle tensioni, insomma tutti quei requisiti che sono sintetizzati nella power quality. A ciò si deve aggiungere il fatto che le infrastrutture di distribuzione, progettate per convogliare i flussi di potenza dalle reti a tensione maggiore verso valori inferiori, stanno via via mutando la loro natura a causa dell’aumento della cosiddetta Generazione Dispersa (Gd). La Gd è costituita dall’insieme di generatori di piccola taglia connessi alle reti Bt e Mt (si pensi al mini eolico, al fotovoltaico, alle microturbine, alla piccola cogenerazione e così via): all’aumentare del numero dei generatori dispersi, le reti di distribuzione tendono a modificare la propria natura e a diventare attive, ovvero a trasferire potenza verso le reti a tensioni più alte, almeno per una parte consistente del tempo. Come noto, è opportuno, specie per un Paese come il nostro, investire nelle tecnologie che consentano di sfruttare a fondo molte delle fonti primarie impiegate per la Gd, in particolare quelle rinnovabili. Purtroppo, esse sono perlopiù di natura aleatoria, e quindi tendono a sbilanciare il sistema e causano la necessità di ulteriori sistemi di regolazione rispetto a quelli esistenti. Questa è la ragione per cui, negli ultimi anni, la ricerca europea ha investito molto nelle cosiddette ‘smart grid’, le reti intelligenti che dovrebbero cambiare radicalmente l’esercizio delle reti, in particolare di quelle di distribuzione, per consentire l’efficace sfruttamento di ogni fonte non fossile. In questo caso, dunque, l’automazione è a servizio dell’efficienza complessiva del sistema energetico, in quanto rende possibile il risparmio di quelle fonti primarie che oggi sono purtroppo indispensabili per garantire il progresso. In questo settore, il cammino da percorrere è ancora lungo ma la ricerca è molto attiva, sia sul versante degli algoritmi, sia su quello tecnologico. Anche i progressi nel campo delle telecomunicazioni svolgono un ruolo estremamente importante e probabilmente renderanno possibile, nei prossimi anni, un esercizio delle reti sempre più intelligente.
