Continuiamo con la serie di articoli che affrontano gli aspetti pratici e gestionali della produzione di energia elettrica; nelle puntate precedenti abbiamo fatto una panoramica dei vari tipi di macchine generatrici, statiche o rotanti, abbiamo visto la possibilità di farle funzionare in modo isolato, per soddisfare piccole esigenze locali, ed abbiamo visto le motivazioni economiche che spingono alla realizzazione di un sistema di produzione elettrica.
In questo articolo cercherò di spiegare quali sono le principali difficoltà che si devono affrontare per gestire una rete in corrente alternata, quando costituita da più punti di utilizzo e più generatori, indipendentemente dalla sua dimensione; potrebbe essere, perchè no, la rete di un'abitazione, oppure la rete di un ospedale o di una nave alimentate da propri generatori oppure, per estensione, la rete elettrica nazionale.
L'articolo non entra troppo nei dettagli, ma vuole solamente fare, come in tutti gli articoli della serie "Produzione Elettrica" una panoramica.

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Carichi e Reti Elettriche

Gli utenti presenti in una qualsiasi rete elettrica sono generalmente di tipo eterogeneo; guardate anche all'interno della vostra casa: il Phon, la Lavatrice, la Lavastoviglie, le luci esterne ed interne, il caricabatteria dell'aspirapolvere, il PC dei ragazzi, ecc...
Ognuno di questi "carichi" ha le proprie esigenze, sia in termini di potenza prelevata che in termini di orari e tempi di funzionamento; per dirla breve, tutto funziona in modo molto casuale o forse anche "caotico".
Questo concetto si ribalta anche sulla rete elettrica nazionale, rete di proprietà della società Terna Spa che ha anche l'onere della sua gestione.
E proprio nel sito Web di Terna è disponibile un grafico molto interessante: il carico elettrico nazionale, detto "TOTAL LOAD", aggiornato in tempo reale; è cioè un grafico dove potete vedere i consumi elettrici complessivi italiani istante per istante (qui sotto ho riportato ad esempio quello del 13 Luglio 2024).
In questo grafico (trovate il Link a fine articolo), è indicata la potenza assorbita dalle utenze dalla mezzanotte fino al momento in cui lo consultate (curva blu) e contiene anche una curva "previsionale" (arancione), costruita con modelli statistici.

Terna SpA - Grafico Giornaliero "Total Load"

Come potete notare, i consumi variano ora per ora, anche notevolmente.
In conclusione, la potenza complessiva in una rete elettrica, intesa come somma delle potenze richieste da tutte le utenze, varia istante per istante.
E dato che l'elettricità non può essere immagazzinata, le centrali di produzione dovranno a loro volta adeguare la potenza erogata istante per istante. Ne parleremo a breve.

Il paragone con il Tandem

Il tandem è un mezzo di trasporto su ruote che si presta alla perfezione per rappresentare il funzionamento di una rete elettrica in corrente alternata.

Tandem a tre posti

Osservate la foto:

• I ciclisti sono i generatori che mettono la loro energia a disposizione della rete
• La catena è l'elettricità che trasferisce l'energia dalla produzione al consumo
• La ruota motrice posteriore rappresenta gli utilizzatori, i carichi che consumano l'energia prodotta dai generatori.
• Le corone dei pedali, rappresentano la sincronicità della corrente alternata tra generatori e utilizzatori (perchè sono collegati in modo "rigido" tra loro, e quindi sono sempre "in fase").

Già da questa rappresentazione possiamo vedere un concetto fondamentale: la catena, cioè l'elettricità, è solamente un sistema per trasferire l'energia da un punto ad un altro, è un vettore energetico; la catena non può essere "immagazzinata", deve essere subito utilizzata, e così vale anche per l'elettricità.

Una parentesi... in macchina

Parliamo ora molto brevemente di macchine e motori; ci servirà per capire meglio i concetti che illustrerò a breve. Gli addetti ai lavori mi perdonino certe semplificazioni, ma ci fanno comodo per arrivare rapidamente al risultato.
Ora, dato che dobbiamo parlare di reti elettriche in corrente alternata e dato che le reti in Europa funzionano a 50 hertz, immaginiamo di essere in automobile e di voler viaggiare ad una velocità costante di 50 km/h.
Domanda: quale sarà la potenza che dovrà erogare il motore per mantenere questa velocità?
Dipende, direte voi, da tanti elementi: dipende dal peso della macchina, dal numero di passeggeri, dalle condizioni meteorlogiche, dallo stato della strada, ecc.
Ad esempio servirà molta più potenza se la strada è in salita piuttosto che in pianura. Viceversa, è inutile accelerare se stiamo viaggiando in discesa... richieremo di schiantarci alla prima curva.
La potenza erogata dal motore dipende quindi dalle condizioni del momento, anche se la velocità della nostra auto è sempre la stessa.
Questo ragionamento si applica naturalmente anche al tandem: i ciclisti dovranno spingere più o meno forte sui pedali a seconda della pendenza della strada e non solo a seconda della velocità alla quale vogliono viaggiare.

Curiosità: Non è vero che i motori endotermici per aumentare la potenza devono aumentare i giri; ne sono la dimostrazione i gruppi elettrogeni (anche quelli portatili), che hanno la capacità di erogare più o meno potenza mantenendo costante la velocità di rotazione.

Equilibrio Produzione-Consumo

Torniamo alle nostre reti: il primo fattore da mantenere sotto controllo per consentirne il corretto funzionamento di una rete elettrica è l'equilibrio tra immissione e prelievi; detto in poche parole la potenza prodotta dai generatori deve essere sempre uguale alla potenza richiesta dalle utenze.
Tale attività nel gergo dei gestori delle reti nazionali viene detta "dispacciamento".
Leggiamo ad esempio quanto riportato nel sito della società TERNA SpA:
Terna è titolare del servizio di dispacciamento nel sistema elettrico nazionale: dobbiamo cioè garantire, istante per istante, che l’energia richiesta dai consumatori (famiglie e aziende) sia sempre in equilibrio con l’energia prodotta.

Rete Elettrica - Bilancia in Equilibrio

Nelle reti in corrente alternata, il modo principale e fondamentale per mantenere questo equilibrio, detto anche Regolazione Primaria, si basa sulla regolazione che esegue il sistema di controllo del generatore sulla frequenza della rete:

• se la frequenza della rete aumenta oltre il nominale di 50 hertz, significa che c'è troppa produzione (bisogna sollevare il piede dall'acceleratore);
• se la frequenza della rete diminuisce al di sotto dei 50 Hz, significa che c'è poca produzione (e bisogna premere sull'acceleratore);

Nella rete nazionale questa regolazione si effettua nelle grandi Centrali tenendo sotto controllo la velocità di rotazione dei Turboalternatori, macchine che generalmente sono costituite da:

• Turbine a vapore, nelle Centrali Termoelettriche,
• Turbine idrauliche, nelle Centrali Idroelettriche,
• Turbine a gas, nelle Centrali a Ciclo Combinato(*).

Esistono poi anche la Regolazione Secondaria (quella che fanno automaticamente alcune centrali sulla base di grosse variazioni della frequenza, ad esempio a fronte di un guasto nella rete), e la Regolazione terziaria (l'avviamento rapido di grosse centrali su richiesta di Terna), ma sono concetti che non sono necessari per il proseguo.

Qualche rudimento di Sicurezza

Facciamo ora un'altra breve parentesi con un esempio relativo ad alcuni concetti fondamentali dal punto di vista della sicurezza:
Avete mai provato a pigiare a fondo il pedale dell'acceleratore di un'automobile senza ingranare la marcia?
Il motore salirà vertiginosamente di giri in quanto non c'è nulla che oppone resistenza, non c'è niente che "usa" la sua potenza, così contagiri sul cruscotto raggiungerà rapidamente la zona di colore rosso facendo un fuori giri.
Questo evento è dannoso per il motore così i costruttori di automobili fin dagli anni 1980 hanno iniziato ad implementare nei motori un sistema di sicurezza, detto limitatore di giri, che evita appunto questo evento.
Nei primi modelli era realizzato meccanicamente tramite un contatto a molla nello spinterogeno; oggi si trata di una componente elettronica integrata nella "Centralina".

Contagiri... fuori giri

Sistemi di Protezione

Anche nel mondo dei generatori elettrici ci sono dei dispositivi di sicurezza similari a quanto detto per i motori: tutte le macchine generatrici ne sono dotate. Naturalmente la complessità ed il grado di sofisticazione di questi dispositivi è direttamente proporzionale alla dimensione (alla potenza) del generatore.
Questi dispositivi di sicurezza sono presenti anche negli impianti fotovoltaici domestici: sono implementati all'interno degli inverter con il nome di Protezione di interfaccia .

Relè ABB "Protezione di Generatore"

I dispositivi di sicurezza nel gergo sono detti Relè di protezione e servono per mettere fuori servizio la macchina se i parametri di funzionamento "escono" dai valori prestabiliti.
Ad esempio gli impianti di produzione devono disconnettersi se la frequenza di rete è:

• inferiore a 47,5 Hz
• superiore a 51,5 Hz

La rete elettrica è più rigorosa

Ora c'è da evidenziare la grande differenza tra l'automobile, che abbiamo usato come esempio, ed una rete elettrica: la discrezionalità della velocità.
Nell'automobile è possibile viaggiare a qualunque velocità: a 50 come a 20 come a 130 km/h, di conseguenza il motore potrà fare 1000 come 4000 giri al minuto (trascuriamo per un momento che l'auto ha anche il cambio).
Nella la rete elettrica invece la frequenza deve stare sempre a 50Hz e di conseguenza i grandi alternatori devono mantenere costante la loro velocità di rotazione, ad esempio 3000 giri al minuto.
Questo perchè il valore nominale della frequenza è uno degli elementi che sanciscono la qualità della stessa energia elettrica; generalmente questo valore per l'Italia (e per l'Europa) rimane all'interno della fascia 49,9...50,1 Hz, cioè con uno scarto dello 0,2% !.

Terna - Dispacciamento - Fare click per ingrandire

Cosa succede con il "Fuori giri" ?

Cosa succede in una rete elettrica se i generatori erogassero più potenza di quanto richiesto dai carichi?
In questa situazione la frequenza della rete andrebbe a portarsi oltre ai 50 hertz ed a breve, se i generatori non modulassero al ribasso la potenza erogata, l'intera rete finirebbe fuori servizio per l'intervento dei dispositivi di sicurezza dei generatori (nel gergo, i Relè di protezione di massima frequenza).
Ma attenzione che nelle reti elettriche esiste anche il problema contrario!
La frequenza della rete, per rispettare i requisiti di qualità di cui sopra, non deve nemmeno ridursi troppo; se la potenza erogata complessivamente dai generatori fosse inferiore a quanto richiesto dalle utenze, il sistema elettrico si porterebbe al di sotto dei 50 Hz, fino a causare l'intervento dei dispositivi di sicurezza di tutti i generatori (nel gergo, i Relè di minima frequenza) ed il conseguente blackout generalizzato.

PS: Questo è quello che accadde in Italia il 28 Settembre 2003, quando a seguito della disconnessione di linee in alta tensione di fornitura dall'estero, le centrali nazionali non riuscirono a sopperire alla mancanza di potenza, con il conseguente fuori servizo di tutti gli impianti di produzione e... blackout nazionale.

Fotovoltaico, Rinnovabili & C.

Non ricordo se l'ho già detto, ma ripeto un concetto fondamentale: gli impianti alimentati da fonti rinnovabili come l'Eolico, il Fotovoltaico, gli impianti a Biomasse e similari, non sono concepiti per modulare la potenza erogata a seconda dell'andamento della frequenza della rete.
Questi impianti sono concepiti per trasformare tutta l'energia rinnovabile disponibile in elettricità; cercano, con la massima efficienza possibile, di viaggiare sempre "a tavoletta". Il tipico inverter per l'impianto fotovoltaico quindi, non può quindi funzionare in isola per alimentare le utenze dell'appartamento, perchè non è concepito per modulare la potenza erogata.
Come già detto, per avere queste funzioni ci vogliono degli inverter con accumulo e con uscita di Backup, una uscita in corrente alternata adatta ad alimentare un carico variabile, come l'impianto di casa.

Conclusione

In questo articolo abbiamo visto i concetti principali di funzionamento delle reti elettriche e soprattutto l'equilibrio che si deve mantenere istante per istante tra produzione e consumo. Un criterio che si applica dalla rete nazionale ai piccoli impianti domestici. Nel prossimo articolo inizieremo ad entrare in alcuni dettagli: la ripartizione del carico e la sincronizzazione.
Grazie per la pazienza di essere arrivati fino a qui.

(*) Nella prima versione dell'articolo avevo fatto un "simpatico" errore di battitura, avevo scritto "Turbone a Gas": si vede che stavo pensando a delle macchine particolarmente grandi! ;-)

Link Utili

Bellissimo grafico in tempo reale dei consumi nazionali (Total Load) dal sito Terna:
https://www.terna.it/it/sistema-elettrico/transparency-report/total-load

Spiegazioni con grafici del funzionamento della stabilità della rete del gestore nazionale svizzero (in italiano)
https://www.swissgrid.ch/it/home/operation/regulation/grid-stability.html

Articoli Precedenti
Produzione elettrica - tecnologie & soluzioni - 1 parte
Produzione elettrica - tecnologie & soluzioni - 2 Parte - Impianti in Isola
Produzione Elettrica - tecnologie & soluzioni– 3 Parte - Aspetti economici