Tutti noi abbiamo esperienza dell’immediatezza dell’energia elettrica: premendo un interruttore, istantaneamente (o quasi) le luci si accendono; inserita una spina nella presa, gli oggetti ad essa connessi cominciano a manifestare il loro stato di carica e di alimentazione.
Dietro queste esperienze di vita quotidiana si nascondono i fondamenti del sistema di trasmissione dell’energia elettrica che, volendo indagare la natura del fenomeno a livello generale, possiamo riassumere in tre semplici domande.
Quando accendete una lampadina:
1) Da dove arriva l’energia che avete “immediatamente” a disposizione?
2) Come fanno i generatori del sistema elettrico a sapere che l’avete accesa?
3) Come viene suddivisa l’energia che state utilizzando tra i generatori?
Per avere una chiara risposta è necessario introdurre delle semplici nozioni sul sistema di trasmissione dell’energia elettrica.
Cosa si nasconde dietro una lampadina?
Gli elementi fondamentali per la trasmissione di energia che compongono il sistema elettrico sono generatori, linee e carichi.
I generatori sono le unità che si occupano della trasformazione di una forma di energia disponibile (idrica, da combustione di carburante fossile, eolica, solare, geotermica, maree) in energia elettrica.
Fatta eccezione per i generatori ad energia solare (i pannelli fotovoltaici), in tutti gli altri la trasformazione in energia elettrica passa attraverso il moto di rotazione dei generatori, o meglio del loro principale componente interno: il rotore.
La creazione dell’elettricità avviene grazie alla cinematica del rotore che, per tutti i generatori rotanti direttamente connessi in rete, deve possedere una velocità angolare (velocità di sincronismo) tale da creare potenza in regime sinusoidale alla frequenza di rete, 50 Hz.
Le linee elettriche sono l’apparato addetto al trasporto dell’energia prodotta dai generatori fino a noi consumatori.
Ne esistono di molti tipi e possono diversificarsi tra di loro per il livello di tensione a cui sono sottoposte, per il tipo di posa che le caratterizza (in aria o in cavi), per il materiale con cui sono realizzate etc.
Tutte, come se fossero le autostrade dell’elettricità, hanno però in comune lo scopo di trasportare l’energia dove è richiesta.
Le linee sono tra i principali componenti sede di perdite elettriche per effetto Joule.
I carichi elettrici sono tutte le apparecchiature che per funzionare hanno necessità di assorbire potenza sotto forma di tensione e corrente. Ne sono un esempio le lampade per l’illuminazione, gli elettrodomestici, i trasporti su rotaia (treni, linee tranviarie, metropolitane), i macchinari industriali.
Il sistema dinamo-bicicletta
Dopo questa breve introduzione ad alcuni dei componenti principali del sistema elettrico, per rendere maggiormente intuitiva la risposta alle domande poste si vuole ricorrere all’ausilio di un’analogia: il sistema elettrico nel suo complesso si comporta in maniera simile ad una bicicletta dotata di un faretto di illuminazione alimentato da una dinamo.
Nel caso della bicicletta con dinamo, appena cominciamo a pedalare possiamo notare che la lampadina si accende. Inoltre, è noto che più si va veloce con la bicicletta e maggiore sarà il flusso luminoso emesso, stando ad indicare che è aumentata l’energia nel nostro piccolo faro.
Infine, tante più lampadine aggiungiamo alla nostra bici, tanto maggiore sarà la potenza della dinamo. Questa eserciterà più attrito sulla ruota, rendendo il pedalare più difficoltoso; pertanto, per proseguire alla stessa velocità, anche le nostre gambe devono immettere più energia nel sistema per far fronte all’aumento della richiesta.
Allo stesso modo, nel sistema elettrico ci sono tanti generatori che tendono a ruotare tutti alla stessa velocità (corrispondente alla frequenza di rete) e immettono in rete esattamente la quantità di potenza richiesta dai carichi, a cui vanno aggiunte le perdite per il trasporto.
E quindi….?
Da dove arrivano i 60 Watt della mia lampadina?
L’energia che riusciamo ad ottenere immediatamente è data dai generatori rotanti che l’hanno resa disponibile sotto forma di tensione delle prese di casa in modo preventivo.
Come fanno i generatori ad accorgersi che ho acceso la mia lampadina?
I generatori riscontrano l’assorbimento di potenza della lampadina con una riduzione della velocità sul rotore. A questo punto il controllo di velocità rileva il cambiamento e in risposta farà aumentare la potenza al generatore (ad esempio, in un generatore alimentato da un motore a combustione, aumentando la portata di combustibile) per riportarlo a ruotare alla velocità di sincronismo.
Come si dividono tra di loro la potenza elettrica?
La ripartizione della potenza da erogare tra generatori è il frutto della risoluzione di un problema detto di Load Flow (o power flow), nel quale la potenza generata e quella consumata vengono bilanciate. Il tutto viene svolto controllando alcune delle variabili dei componenti della rete, stabilendo definitivamente i flussi di potenza immessi dai gruppi di generazione che ,transitando nelle linee, riescono a soddisfare la richiesta degli utenti.
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