Trasporto di elettricità, i cavi e i cambiamenti climatici

Come impattano i cambiamenti climatici sul trasporto di elettricità? I cavi rappresentano il contatto più importante con l’ambiente e la loro tipologia e la modalità di impiego (sospesi o interrati) andranno adeguati al clima che cambia. La dinamica del clima e i modelli di probabilità possono suggerirci il mix ottimale.

Vi sono due aspetti della trasmissione dell’energia elettrica che resta all’attenzione dei soli addetti ai lavori, ma che merita di essere portata ad un pubblico più ampio, interessato alla transizione energetica e più in generale ai cambiamenti climatici: 1) che si hanno due possibilità per la sua distribuzione, ma che una è ancora difficile o sconveniente da usare su larga scala; 2) che i fattori ambientali e di utilizzo influenzano tutte e due le scelte.

Questioni che riguardano i cavi, aspetto spesso trascurato ma importantissimo perché i cavi rappresentano il contatto più importante con l’ambiente. Vi sono due tipologie di cavi per trasportare la potenza: sospesi (Overhead lines) o interrati (Underground cables). Storicamente le linee aeree sono state predilette rispetto a quelle interrate per ragioni sia tecniche che economiche, in particolare per il trasporto su larghe distanze.

Per trasportare l’energia per decine o centinaia di km serve la sezione più larga possibile e usare un cavo interrato implica un isolamento, cioè una lavorazione in più e un costo aggiuntivo, qualsiasi sia il tipo di isolante. Inoltre, per distanze importanti le tensioni sono piuttosto alte quindi l’isolante deve essere piuttosto spesso per evitare fenomeni di dispersione e questo tecnicamente impone una forma implicita di dispersione legata alla presenza del dielettrico e anche questa consuma una certa quantità di energia che si sottrae al lavoro. La scelta migliore per distanze lunghe ricade sul cavo senza guaina con l’aria come isolante (Linee Sospese), scegliendo semmai tra Alluminio e Rame.

Sospesi o interrati?

Su distanze brevi, invece, per tensioni di lavoro più basse e dove la necessità lo imponeva (come zone residenziali o urbane), si introdussero a partire dagli anni ‘40 dei tipi di cavi interrati prima isolati immergendoli in olii dielettrici (a pressione o autocontenuti, SCOF-Self Contained Oil Filled e HPOF-High Pressure Oil Filled) poi progressivamente sostituiti per ragioni di sicurezza, economia e praticità con Polyetilene di tipo cross linked (XLPE) o PVC, che tuttavia non è adatto all’alta tensione, dove il loro uso è limitato.

Anche il problema termico ha visto prediligere i cavi sospesi a quelli interrati. I cavi sospesi disperdono il calore attraverso convenzione (l’aria è un fluido) e irraggiamento. È possibile scegliere dimensioni dei cavi in modo da massimizzare la dispersione del calore. Per i cavi interrati l’unico modo per disperdere il calore è per contatto e le caratteristiche del suolo cambiano spesso in modo essenziale (ad esempio, un terreno umido trasmette il calore meglio di un terreno secco, ma viene asciugato dal cavo). Questo permette con molta difficoltà di stabilire il cosiddetto rating del cavo (la quantità massima di corrente nel cavo prima che si scaldi oltre una certa temperatura).

Per concludere questa breve panoramica tra cavi interrati e sospesi, possiamo dire che la mancanza di materiali con opportune caratteristiche per tensioni di un certo tipo, i costi maggiori di installazione e la mancanza di criteri di progettazione per tutti i casi rende il lavoro con i cavi interrati tuttora più un’arte che una scienza, e comunque limitata ad ambiti ben precisi.

Verso un cambio di paradigma

Eppure, oggi i cambiamenti climatici impattano sui sistemi elettrici e richiedono un ripensamento del trasporto dell’elettricità in favore delle linee interrate. Diversi paesi (come la Danimarca attraverso la Energynet dal 2008 o il Giappone già da fine anni ‘90) hanno avviato diversi progetti per la sostituzione delle linee aeree con linee interrate, mentre altri (come l’Australia) ci stanno ragionando.

Il lavoro dei cavi sospesi è influenzato dal vento (svirgolamento o gallopping), dai fulmini, dall’aria (effetto “corona” per cui una parte dell’elettricità nei cavi senza guaina si trasferisce nell’aria intorno e questo provoca perdite), dalle temperature esterne che stanno cambiando (e quindi anche il naturale raffreddamento o diciamo i 25 gradi ambiente non può più essere considerata una temperatura tipica su cui lavorare).

D’altra parte, il sottosuolo garantisce una certa stabilità termica, ma anche lì umidità del terreno, l’acqua, fenomeni di tipo geomagnetico sensibili su grandi distanze, costi di installazione e altro rendono comunque difficile anche questa soluzione.

Sebbene non sia da escludere per il futuro, allo stato attuale un passaggio totale da aereo a interrato è da escludere. Limiti e ostacoli spingono quindi verso un mix dei due tipi di trasmissione, per lo meno in alcune parti del mondo che hanno visto una escalation dei fenomeni climatici.

Quale mix è più opportuno? Indicazioni dalla dinamica del clima e dai modelli di probabilità

Ma è possibile avere delle linee guida che ci permettano di stabilire quale sia il mixing più opportuno o perlomeno le priorità realizzative? Un modo di formalizzare questo aspetto può essere attraverso l’uso della dinamica del clima e dei modelli di probabilità.

La dinamica del sistema del clima è rappresentata da un sistema chiamato “caotico”, vale a dire il comportamento non è perfettamente predicibile ma alcune caratteristiche entro certi limiti si ripetono anche se non con la regolarità di un fenomeno periodico bensì con quelle della probabilità.

Lo stato di disordine relativo (la misura del caos!) si può caratterizzare con la dimensione frattale, che è in un certo senso la percentuale di occupazione in un certo spazio da parte di un fenomeno su indefinite scale di grandezza. Immaginate, ad esempio, le coste di uno Stato su una cartina 1 a 1.000.000: sono linee dritte, ma più si scende più diventano frastagliate. Ecco, la dimensione frattale caratterizza questo. Traslato sul tema in questione, la distribuzione delle linee di trasporto in aria possono suggerire gli spazi da osservare per definire la misura frattale riferita al territorio italiano, che sia lo stesso del sistema dinamico climatico.

Per farla più semplice: se sappiamo che certi fenomeni atmosferici impattano sulle linee di trasmissione, quando le installiamo verifichiamo cosa succederebbe se quei fenomeni fossero presenti sulla scala del sistema di trasmissione. Se l’impatto è invasivo o critico, è necessario utilizzare un diverso modo di trasmissione così da frammentarlo di più. Se il sistema dinamico atmosferico e quello “suggerito” dal trasporto hanno misure simili è infatti molto probabile che i due sistemi entrino in collisione e ci siano danni, se invece sono molto diversi i danni saranno minori.

Come cambiare tali valori? Attraverso la differenziazione tra linee aeree e interrate. Vuol dire che non ci saranno danni? No, probabilità 0 significa che gli eventi saranno molto più sparsi e inferiori come incidenza all’estensione su cui è stata calcolata la dimensione. È un modo per caratterizzare progetti di adeguamento della rete o sostituzione. Così, per esempio, dove le linee sono interrate si crea una discontinuità che diminuisce la dimensione critica del sistema.

Il nostro ambiente ci costringe a rivedere alcune soluzioni che finora utilizzavamo per questi tipi di problemi. Dovremo capire meglio aspetti e condizioni sotto cui tali soluzioni potranno e dovranno essere adattate. La maggior parte dei guasti sulle linee non sono direttamente imputabili ai cavi, ma disfunzioni e perdite spesso lo sono, e sono ancora alte.

La trasmissione di potenza su conduttori è solo uno degli aspetti che verranno vieppiù interessati dai cambiamenti climatici, ma è importante non trascurarlo, considerando che sono 74.855 km le linee in alta tensione gestite da Terna sul territorio italiano!

Fabio D’alessandro è tecnico di assistenza e consulenza su sistemi elettrici ed elettronici

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