Qualcosa che molte persone sono sorprese di apprendere è che l’elettricità, per sua stessa natura, non può essere immagazzinata – almeno non economicamente in quantità apprezzabili (al di là di ciò che si trova in una batteria).
Ciò significa che l’elettricità deve essere generata e fornita nel momento stesso in cui è necessaria. Il sistema di trasmissione, che fornisce energia elettrica a voi alla velocità sorprendente di 186.000 miglia all’ora (quasi la velocità della luce) è ciò che rende questo possibile.
Come presentato in Understanding Transmission, il sistema elettrico comporta la generazione, la trasmissione e la distribuzione. La necessità di trasmissione di massa è nata come domanda di energia elettrica è cresciuta e piccole centrali elettriche che potevano servire solo la loro area locale è diventato inadeguato. Le centrali elettriche più nuove e più grandi sono entrate in linea, ma erano lontane dai loro centri di carico. Le linee di trasmissione erano l’unico modo per portare l’energia dove era necessaria.
Anche il collegamento di impianti di generazione remota con i clienti ha avuto un piccolo problema. L’elettricità deve essere trasmessa attraverso fili. Fili creano resistenza al flusso di energia e che la resistenza crea piccole perdite sulla quantità di energia trasmessa. Non è un grosso problema per distanze molto brevi; ma più lungo è il filo, maggiore è la resistenza e maggiori sono le perdite.
La soluzione al problema della resistenza consiste nell’aumentare la tensione (o la” pressione”) a cui l’elettricità viene spinta attraverso i fili. Maggiore è la tensione, migliore è il sistema in grado di superare la resistenza e ridurre al minimo le perdite. Così oggi, mentre l’energia viaggia a centinaia o migliaia di miglia da dove viene generata, le linee ad alta tensione di 230, 500 o 765 kilovolt assicurano che l’elettricità venga consegnata rapidamente e con una minima perdita di energia.
Perché Torri?
Mentre a volte l’elettricità può essere trasmessa sottoterra, i sistemi di trasmissione “bulk” spesso comportano l’uso di fili aerei. Una domanda comune posta sui fili sopraelevati, in particolare durante il processo di pianificazione, è il motivo per cui sono necessarie torri d’acciaio così grandi. Le due risposte principali sono sicurezza e affidabilità.
A causa delle alte tensioni utilizzate, le normative locali, statali e federali impongono determinati requisiti su come le linee di trasmissione possono essere costruite, principalmente nell’interesse della sicurezza. Uno di questi requisiti chiave riguarda quanto in alto da terra i fili devono essere al loro punto più basso (noto come “clearance”). Requisiti di liquidazione possono variare ampiamente, ma una gamma di 60-150 piedi è comune.
Con i requisiti di altezza viene un bisogno complementare di stabilità. Le linee di trasmissione e le torri devono resistere a una serie di avversità ambientali, dai forti venti alle temperature di congelamento, dove i depositi di ghiaccio e neve potrebbero altrimenti causare il collasso di una linea o di una torre. Di conseguenza, le torri ad alta tensione sono solitamente costruite per resistere alle cosiddette tempeste di 50 o 100 anni per garantire che le condizioni meteorologiche non interrompano il flusso del servizio elettrico.
All’interno dei fili
La potenza viene trasmessa attraverso i fili tramite corrente alternata o corrente continua. Entrambi hanno i loro vantaggi; tuttavia, “corrente alternata trifase” è il metodo più comune utilizzato in tutto il mondo.
In corrente alternata (AC) trasmissione, il movimento della carica elettrica inverte periodicamente direzione. In un sistema AC trifase, i fili trasportano tre correnti alternate che raggiungono i loro valori di picco in momenti diversi.
I sistemi trifase possono anche essere classificati come sistemi a circuito singolo o doppio. Doppio circuito significa che la struttura di trasmissione sta trasportando due serie di linee di trasmissione, ciascuna con tre conduttori (fili).
Nei sistemi a corrente continua (DC), il flusso di carica elettrica è solo in una direzione. Il sistema funziona a una tensione massima costante, che può consentire ai corridoi di linee di trasmissione esistenti con conduttori di dimensioni uguali di trasportare il 100% in più di potenza in un’area di consumo maggiore rispetto alla corrente alternata.
I sistemi CA trifase sono generalmente considerati meno costosi dei sistemi CC per distanze più brevi (meno di 400 miglia). AC offre anche alcuni vantaggi in termini di aumento e riduzione (vedi sotto) che possono renderlo un’alternativa migliore quando ci sono diversi collegamenti intermedi nella linea per servire le comunità lungo il suo percorso.
Per distanze più lunghe, e anche per distanze più brevi dove non ci sono rubinetti intermedi, i sistemi DC hanno due vantaggi oltre alla loro capacità di fornire sostanzialmente più potenza. In primo luogo, sono meno costosi da costruire perché non hanno bisogno di tanti fili come per i sistemi trifase. In secondo luogo, sono più efficienti in termini di prevenzione delle perdite elettriche dovute alla resistenza nelle linee. In terzo luogo, i sistemi DC offrono anche vantaggi legati all’affidabilità. Le variazioni di carico che potrebbero causare alcune porzioni di una rete AC non sincronizzate e portare a guasti a cascata nella griglia non avrebbero lo stesso effetto su un sistema DC, ad esempio. Inoltre, in tale scenario il collegamento DC potrebbe essere utilizzato per stabilizzare la rete AC.
Anche i sistemi a corrente continua presentano i loro svantaggi, in particolare in termini di costi e di apparecchiature associate all’aumento e alla riduzione della tensione, ma visti i vantaggi della corrente continua nel suo complesso, molti gestori di sistemi di alimentazione stanno contemplando un uso più ampio dei sistemi a corrente continua.
Salire e scendere
Mentre l’elettricità che viaggia attraverso i fili ad alta tensione può avere la forza di 230, 500 o 765 kilovolt dietro di essa, non è così che il flusso inizia alla fonte di generazione; né è come finisce quando l’elettricità arriva a casa tua. In realtà, non sarebbe sicuro su entrambe le estremità se così fosse.
All’interno del sistema di trasmissione, le sottostazioni e i trasformatori svolgono ruoli chiave aumentando la tensione dal generatore alle linee di trasmissione di massa e abbassandola dalle linee di trasmissione alle linee locali che distribuiscono l’alimentazione a casa tua.
Mentre l’energia viene generata, lascia la fonte della centrale a circa 20 kilovolt. Trasformatori quindi aumentare la tensione al livello appropriato per la trasmissione-molto simile a una pompa sarebbe usato per aumentare la pressione dell’acqua in un tubo.
Quando l’elettricità raggiunge un centro di carico, l’utilità locale la consegna ai quartieri e alle aziende abbassando la tensione attraverso le sottostazioni e inviandola lungo una rete di linee di alimentazione (o distribuzione). Le tensioni per le linee di distribuzione primaria funzionano tra 2,4 e 34,5 kilovolt. La tensione viene quindi abbassata nuovamente attraverso trasformatori di distribuzione a livelli residenziali di 120 e 240 volt.