di Antonio Ardito, Bruno Cova, Alessandro Clerici, Andrea Prudenzi| CESI




I sistemi di trasmissione stanno assumendo sempre maggior importanza strategica nello sviluppo e nel funzionamento economico e affidabile del sistema elettrico globale. Questo vale sia nelle economie avanzate, sia nei Paesi emergenti. Il sistema di trasmissione si può definire come la colla che tiene saldamente insieme la produzione di elettricità e i consumi. Alcune recenti modifiche dello scenario elettrico ne hanno rinforzato l’importanza. Basti pensare all’avvento dei mercati elettrici per la produzione di energia dove l’utilizzo delle centrali più economiche può essere compromesso dall’inadeguatezza e dai colli di bottiglia posti dal sistema di trasmissione.

E qui occorre anche ricordare i tempi per realizzare nuove linee di trasmissione, a causa delle opposizioni ambientali, tempi medi che a livello europeo vanno da 10 a 15 anni dalla concezione del progetto alla messa in servizio (e questo trascurando i casi di non realizzazione che renderebbero infiniti i tempi medi). Altro cambio di scenario è stato creato, in sistemi come quello italiano, dalla massiccia introduzione di potenza volatile e non programmabile da fotovoltaico ed eolico, a seguito di non coordinate incentivazioni.

L’utilizzo di ingenti risorse energetiche sfruttabili per produrre energia solo dove queste si trovano (grosse centrali idroelettriche, campi eolici e risorse solari come nel caso di Nord Africa e Medio Oriente) richiede lo sviluppo di sistemi di interconnessione/trasporto anche di migliaia di chilometri. Ciò sta spingendo alla realizzazione di collegamenti ad altissima tensione su lunghe distanze come nel caso della Cina, dove sono già in esercizio linee da 6-7 GW realizzate con tecnologia in corrente continua ad altissima tensione HVDC. Si veda, ad esempio, la linea di 2.000 km avente taglia 7 GW e in tecnologia HVDC ±800 kV che collega a Shangai le centrali idriche all’interno del Paese.

Ulteriori grandi sviluppi sono in corso nel Mare del Nord e nel Mar Baltico, dove si stanno realizzando reti offshore per collegare i campi eolici marini alla terraferma. Sono altresì in fase di prefattibilità ulteriori grandi corridori di trasmissione dell’energia, denominati autostrade elettriche o E-Highways che in un orizzonte temporale di medio-lungo termine (2025-2050) collegheranno le centrali solari nel Sahara e in Medio Oriente all’Europa Continentale; la realizzazione di queste autostrade elettriche comporta la posa di cavi di grande taglia (almeno 1 GW per cavo) a grandi profondità (2.000 metri), tenendo conto della morfologia molto difficile del Mar Mediterraneo.

Le interconnessioni tra aree diverse all’interno di grandi Paesi (Cina, Brasile, India) o tra differenti nazioni vanno sempre più espandendosi, per sfruttare i vantaggi derivanti dalle interconnessioni stesse. Tale processo è tuttora in corso anche in Europa, dove esiste già un sistema interconnesso sia in corrente alternata (AC) sia in corrente continua (DC), ma che deve essere ulteriormente rinforzato al fine di arrivare alla completa integrazione del mercato europeo, che la Commissione Europea ha stabilito dovrà essere conseguita entro il 2014.


Evoluzione del ruolo delle interconnessioni
Da quanto illustrato emerge chiaramente l’importanza del ruolo delle interconnessioni dei sistemi di trasmissione dell’energia. Con particolare riferimento all’Europa e al Nord America, le reti di trasmissione sono state progressivamente interconnesse a partire dagli anni ’50 del secolo scorso per esigenze di sicurezza di funzionamento, sfruttando l’apporto delle regioni vicine e riducendo così l’entità della capacità di riserva. Il ruolo delle interconnessioni è evoluto a partire dagli anni ’70 verso gli scambi di energia basati su contratti di medio-lungo termine che sfruttavano il differenziale dei prezzi tra i parchi di generazione nei vari Paesi.
Più recentemente, dalla fine del decennio passato, a seguito della progressiva liberalizzazione dei mercati nazionali dell’elettricità, le linee di interconnessione sono sempre più utilizzate per gli scambi transfrontalieri risultanti dai meccanismi di mercato a breve termine. In aggiunta alle funzioni sopra descritte, le interconnessioni sono attualmente chiamate a svolgere un ulteriore ruolo di bilanciamento per favorire lo sviluppo delle energie rinnovabili prevalentemente di tipo variabile e caratterizzate da una distribuzione geografica molto squilibrata rispetto alla localizzazione dei centri di carico.

Oltre alle modalità di utilizzo delle interconnessioni, è importante sottolineare anche le scelte realizzative, che non sono guidate solo dall’evoluzione della tecnologia ma sempre più spesso da vincoli ambientali e dall’accettabilità delle nuove infrastrutture da parte della popolazione coinvolta. Infatti, a seguito delle difficoltà diffuse e delle tempistiche per realizzare nuove linee, in diversi Paesi si nota anche una maggiore attenzione alla possibilità di utilizzare al meglio le linee esistenti, con interventi che aumentano la capacità di trasporto delle stesse o l’utilizzo nella stessa fascia di asservimento di linee con capacità di trasporto superiore.

Per le nuove linee, spesso le scelte realizzative sono dettate quasi esclusivamente da fattori ambientali. Ad esempio, in Italia per minimizzare l’occupazione del suolo e l’impatto visivo delle linee sono stati adottati i cosiddetti pali monostelo (vedi le linee a 380 kV Chignolo Po-Maleo, di recentissima realizzazione, e Trino- Lacchiarella, attualmente in costruzione). In altri casi si è dovuto intervenire inserendo tratti in cavo ad altissima tensione. Infine, in altre situazioni si è dovuto addirittura cambiare completamente la tecnologia, come nel caso della nuova linea di interconnessione tra Francia e Spagna che, anziché essere realizzata in doppia terna aerea AC, è in corso di costruzione in tecnologia DC interrata. Una simile soluzione è stata adottata per il “south-west corridor” tra Svezia meridionale e Norvegia.
In tali scenari di mercato si sta muovendo anche CESI, a livello internazionale. Di seguito sono riportati alcuni esempi di studi nei quali CESI è stato o è attualmente impegnato.


I Paesi Membri del Mar Baltico
A seguito dell’adesione all’Unione europea delle Repubbliche baltiche di Estonia, Lettonia e Lituania e della Polonia dal 1° maggio 2004, tutto il bacino del Mar Baltico è ora circondato da Paesi Membri dell’Unione, ad eccezione della regione di Kaliningrad e di San Pietroburgo, appartenenti alla Federazione Russa. Il processo di integrazione dei nuovi Paesi Membri con il resto dell’Unione coinvolge inevitabilmente anche il settore energetico, e in particolare l’elettricità. Dal punto di vista elettrico la regione baltica si trova suddivisa tra tre aree non integrate. La frammentazione tra i sistemi elettrici ha comportato la conseguente frammentazione dei mercati.
Investita del problema, la Commissione europea ha varato nel novembre 2008 il Baltic Energy Market Interconnection Plan (BEMIP) avente l’obiettivo di delineare una strategia per l’integrazione energetica dei Paesi Membri della regione baltica appartenenti all’Unione europea, con particolare riguardo a Estonia, Lettonia e Lituania, praticamente isolate elettricamente dal resto dell’Unione e con gravi problemi di dipendenza energetica dalla Russia, specialmente in relazione alla fornitura di gas.

CESI è stato chiamato ad operare come technical advisor della Commissione per l’analisi dei problemi, la proposta di possibili soluzioni e la facilitazione della discussione durante i meeting tenuti con cadenze ravvicinate. A seguito di un complesso processo di analisi e negoziazione tra le parti, CESI ha formulato una proposta di roadmap per la riforma del mercato elettrico nelle Repubbliche Baltiche e contestualmente le necessarie interconnessioni per l’integrazione dei mercati nazionali.


I corridoi mediterranei
L’iniziativa di interconnettere progressivamente i sistemi elettrici dei Paesi mediterranei è stata lanciata all’inizio degli anni ’90. Per favorire gli scambi di energia elettrica sono stati realizzati e messi in servizio molteplici progetti di interconnessione in corrente alternata nel corso degli anni ’90, come illustrato in Figura 2: cavo sottomarino a 400 kV tra Marocco e Spagna; linea aerea in doppia terna a 220 kV tra Libia ed Egitto; cavo sottomarino a 400 kV tra Egitto e Giordania.
Nel 2000 è stato varato il MedRing Study, studio condotto da un consorzio guidato da CESI, che ha avuto l’obiettivo di definire una base per lo sviluppo coerente delle interconnessioni tra i Paesi del bacino mediterraneo.

Oltre allo studio dei collegamenti Sud-Sud in AC, un ulteriore significativo impulso agli studi su interconnessioni mediterranee per la possibile realizzazione di collegamenti sottomarini tra il Nord Africa e l’Italia è venuto dal protocollo d’intesa, siglato a dicembre 2003, tra UE e Paesi del Maghreb per una progressiva integrazione dei mercati elettrici di Marocco, Algeria e Tunisia nel mercato elettrico interno (IEM) dell’Unione europea. Questo elemento ha favorito l’esecuzione di studi di fattibilità condotti da CESI, per conto di Terna, riguardo possibili collegamenti HVDC sottomarini tra Nord Africa e Italia e, in generale, transmediterranei. Per Terna attualmente CESI sta collaborando nella realizzazione del nuovo collegamento tra Italia e Montenegro.

In parallelo è in corso lo studio di fattibilità del progetto TuNur, che considera la trasmissione di 2.000 MW generati nel sud della Tunisia da centrali solari in tecnologia CSP (Concentrated Solar Power) fino a nord di Roma attraverso un lungo cavo transmediterraneo. Ulteriori studi sono in corso da parte CESI per conto di MEDGRID e DII (Desertec Industrial Initiative). Si tratta di studi di fattibilità di autostrade elettriche transmediterranee da realizzare in un orizzonte di medio-lungo termine (2025-2050) la cui motivazione principale è lo scambio di energie rinnovabili generate in Nord Africa e Medio Oriente.


Medio Oriente e America Latina
In parallelo sono in corso studi per conto della Lega Araba sull’integrazione delle infrastrutture elettriche e del gas tra i Paesi Membri della Lega, con un orizzonte temporale al 2030. In Medio Oriente, oltre agli studi di fattibilità di nuove interconnessioni transfrontaliere (Yemen-Arabia Saudita e Dubai-Iran) eseguiti tra il 2005 e il 2008, CESI è recentemente stato coinvolto nella realizzazione di un importante progetto riguardante un collegamento HVDC di grande potenza (3-4 GW) all’interno dell’Arabia Saudita per collegare l’area centro-orientale del Paese con l’area occidentale.

In Sud-America la prevista interconnessione Colombia-Panama è in fase di revisione e studio da parte di CESI. La futura interconnessione con una potenza di 400 MW su 500 km in HVDC avrà lo scopo di valorizzare le più economiche risorse energetiche della Colombia; in particolare, è stata scelta la corrente continua per evitare problemi di stabilità dei due sistemi interconnessi. In Brasile CESI è coinvolto nel progetto Rio Madeira, che permetterà di trasferire elettricità generata dalle importanti risorse idriche del Nord verso i centri di carico al Sud tramite due linee HVDC ±600 kV.


Incremento della capacità di trasporto in corridoi esistenti
Oltre che in Italia, anche in numerosi Paesi esteri esiste il problema di cercare di valorizzare al massimo gli asset esistenti e aumentare la capacità di trasporto di linee o corridoi in servizio. Da parte CESI sono state esaminate e sono in esame varie tipologie di intervento che richiedono chiaramente un approccio caso per caso, tenendo in conto della linea specifica e degli aspetti locali (costi, legislazioni, problematiche tecniche relative a tempi di fuori servizio dell’asset che si modifica). Le principali categorie di interventi si possono così riassumere:

a) cambio dei vecchi conduttori con nuovi che possano trasportare più corrente con minori perdite senza creare problemi di sicurezza (ad esempio: frecce dei conduttori) e senza modificare i pali e le fondazioni. I conduttori ACCR (Aluminium Conductor Composite Reinforced) e ACCC (Aluminum Cable Composite Core) stanno offrendo interessanti applicazioni.
In Brasile, ad esempio, la società AES Eletropaulo ha raddoppiato la capacità di trasporto di una doppia terna 88-138 kV alla periferia di Sao Paulo sostituendo i vecchi conduttori con nuovi 3MACCR e senza sostituzione di pali e fondazioni esistenti. Negli Stati Uniti, l’American Electric Power è impegnata a sostituire circa 10.000 miglia di conduttori con i nuovi ACCC, aumentando mediamente la capacità di trasporto del 50 per cento. Molto suggestiva risulta essere la soluzione di cambiare a piccoli tratti e fase per fase i conduttori con la linea in tensione, sostituendo un tratto di linea aerea monofase con un pezzo di linea aerea o in cavo;
b) aumento della limitata capacità di trasporto di una linea inserita in un sistema elettrico utilizzando i sistemi FACTS (condensatori serie controllati elettronicamente, Static Var Compensator) o utilizzando il cosiddetto dynamic loading che sulla base delle condizioni ambientali consente il trasporto della massima corrente ammissibile in quella data situazione;
c) trasformazione di una linea da corrente alternata a corrente continua utilizzando le stesse fondazioni e pali e conduttori, modificandone la disposizione in una nuova testa di palo, come dall’esempio di Figura 3 relativo alla trasformazione di una doppia terna a 138 kV in India in un sistema bipolare. La stessa soluzione è stata proposta per una doppia terna a 230 kV AC in Venezuela, trasformata in ±500 kV in DC portando lo capacità da 400 a 1.600 MW. Incrementi fino a 4 volte la potenza originale sono ottenibili, ma chiaramente – oltre ai costi di trasformazione della linea – occorre mettere in conto i costi delle stazioni a corrente continua ai due estremi;
d) trasformazione, quando possibile, della linea esistente AC in una linea a tensione superiore (vedi gli studi già effettuati di trasformazioni di doppia terna 220 kV AC in singola terna 400 kV raddoppiando la potenza) o sostituzione con una nuova linea AC o DC compatta che permette, a pari ampiezza del corridoio, notevolissimi incrementi di potenza. In quest’ultimo caso nuove linee DC con conduttori verticali non avrebbero limiti di potenza.

Conclusioni
I sistemi elettrici di trasmissione e di interconnessione stanno attraversando un periodo di rinascimento dovuto alle mutate situazioni al contorno, fondamentalmente legate all’integrazione dei mercati, all’esplosione in alcune aree delle rinnovabili non programmabili e al possibile utilizzo di ingenti risorse concentrate, sia idriche sia solari ed eoliche.
Nuove tecnologie legate allo sviluppo di componenti particolari (cavi sottomarini, nuovi conduttori per linee aeree) e nuove tecnologie per il vecchio prodotto linea aerea hanno permesso nell’ultimo decennio l’entrata in servizio di sistemi 1.000 kV in AC e ±800 kV in DC in Cina e si sta assistendo alla realizzazione di un progetto da 1.200 kV in AC in India e ±1.200 kV DC in Cina con capacità di trasporto superiori ai 10.000 MW per circuito.
Inoltre, nuovi collegamenti sottomarini sono stati sviluppati per centinaia di chilometri e posti a profondità superiori ai 1.500 metri, con tensioni ±500 kV in DC. Ulteriori sviluppi per tensioni e profondità superiori sono in corso. La corrente continua, dati i notevoli vantaggi per l’integrazione tra diverse aree (vedi Cina e India) e il trasporto di potenza a grandi distanze, sta avendo un notevole impulso e per questo motivo CESI è costantemente coinvolto nel settore per consulenze in tutti i continenti.