La costruzione di cavi interrati nella rete svizzera di trasmissione è oggi possibile solo in misura molto limitata, come dimostra lo studio sui cavi realizzato da Swissgrid. Ciò è dovuto alle proprietà fisiche dei cavi interrati, che rendono molto più difficile l’esercizio stabile della rete e l’eliminazione delle perturbazioni. Il cablaggio incontrollato ha un impatto negativo sulla sicurezza dell’approvvigionamento della Svizzera. Per i futuri progetti di rete, si dovrebbe pertanto considerare la possibilità di costruire un cavo interrato da una prospettiva olistica.
Linea aerea o cavo interrato? Cablaggio parziale o totale? Queste domande sono spesso oggetto di dibattiti accesi e controversi in merito a progetti di linee della rete di trasmissione (380 e 220 chilovolt). In quanto azienda innovativa, Swissgrid è – in linea di principio – aperta a tutte le tecnologie e, per ogni progetto, esamina sia le varianti di linea aerea che quelle di cablaggio. La decisione sulla tecnologia non spetta a Swissgrid, bensì al Consiglio federale, su raccomandazione di un gruppo di accompagnamento nominato dall’Ufficio federale dell’energia (UFE). Questo processo insieme alla valutazione a sé stante di ogni progetto, senza una visione sul lungo termine del sistema globale, ha portato negli ultimi anni a un forte aumento di cablaggi nella rete di trasmissione. Attualmente sono stati costruiti cavi interrati per 42 km ed è già stata stabilita ufficialmente la realizzazione di altri 250 km.
Lo studio sui cavi analizza le conseguenze del crescente cablaggio
Il crescente cablaggio rimette al centro del dibattito la questione dei relativi effetti sul sistema globale, sia in regime normale che in caso di perturbazione. Per chiarire questo aspetto e oggettivare la discussione sulla scelta della tecnologia, Swissgrid ha realizzato uno studio sui cavi, che simula la rete svizzera di trasmissione sulla base di scenari con diversi gradi di cablaggio. Convalidato dall’azienda RTEinternational, dal Politecnico federale di Zurigo (ETH) e coordinato dall’Ufficio federale dell’energia (UFE) nonché dalla Commissione federale dell’energia elettrica (ElCom), lo studio sui cavi conferma ciò che Swissgrid evidenzia da tempo: l’aumento dei cavi interrati pone grandi sfide tecniche e operative alla rete ad altissima tensione (380 e 220 chilovolt), che potrebbero avere un impatto negativo sulla sicurezza dell’approvvigionamento della Svizzera. Tali effetti si basano sulle proprietà fisiche specifiche dei cavi interrati, le cui conseguenze aumentano in modo sproporzionato con l’aumentare della tensione. Per comprendere questi fenomeni, è necessario addentrarsi nel mondo dell’elettrotecnica.
Mantenimento della tensione: più schiuma, meno birra... e costi più elevati
Una tensione costante è essenziale per l’esercizio affidabile della rete svizzera di trasmissione. Per il mantenimento della tensione, le centrali elettriche devono produrre o assorbire la cosiddetta potenza reattiva con i loro generatori. Come la schiuma, che riempie il bicchiere e lascia meno spazio alla birra, la potenza reattiva riduce la cosiddetta potenza attiva di una linea elettrica, senza svolgere alcun lavoro utile.
È qui che entrano in gioco i cavi interrati: generano più potenza reattiva delle linee aeree a causa della struttura compatta, in cui i conduttori sono molto più vicini tra loro rispetto alle linee aeree e sono avvolti da una spessa guaina isolante. Questa conformazione aumenta la capacità dei cavi interrati – o in parole semplici, la capacità di assorbire e restituire la carica elettrica – e, con essa, anche la potenza reattiva. Tuttavia, ha anche conseguenze: se la potenza reattiva nella rete è eccessiva, si corre il rischio di danni dovuti a sovratensioni. Già oggi si verificano situazioni in cui le centrali elettriche non riescono ad assorbire una potenza reattiva sufficiente per mantenere la tensione entro i limiti di affidabilità in tutte le regioni,
ulteriormente aggravate dal crescente cablaggio della rete di trasmissione. L’unico rimedio è la costruzione dei cosiddetti impianti di compensazione. Tuttavia, questi ultimi aumentano la complessità dell’esercizio e, di conseguenza, anche la suscettibilità ai guasti della rete di trasmissione. Inoltre, occupano molto spazio, sono rumorosi e costosi. Lo studio sui cavi mostra che il costo degli impianti di compensazione supplementari per la maggior parte dei cavi interrati ammonterebbe a circa 1,4 miliardi di franchi, sostenuti dalle consumatrici e dai consumatori di corrente.
Risonanze: se le oscillazioni vengono amplificate, si corre il rischio di danni
Un altro fenomeno fisico complesso che influenza l’esercizio affidabile e stabile delle reti è rappresentato dalle cosiddette risonanze. Ogni infrastruttura tecnica ha una frequenza detta propria alla quale «oscilla» da sola una volta «avviata». Anche le reti elettriche hanno frequenze proprie, chiamate frequenze di risonanza. Per evitare perturbazioni nella rete di trasmissione, queste frequenze di risonanza devono essere il più distanti possibile dalle frequenze che possono causare perturbazioni sulle linee. Tra queste, le cosiddette armoniche presenti nella rete, causate dall’interazione di un numero elevato di consumatrici e consumatori di elettricità non lineari o dall’elettronica di potenza, come raddrizzatori, convertitori di frequenza o unità di comando del motore.
Le reti con cavi interrati a 380 o 220 chilovolt hanno una frequenza di risonanza significativamente più bassa rispetto alle reti costituite esclusivamente da linee aeree, a causa della massiccia costruzione dei cavi interrati, paragonabile a un diapason che, più è grande, «meno ronza». Ciò comporta il rischio crescente che la frequenza di risonanza della rete dei cavi interrati e le influenze esterne perturbanti si «amplifichino» a vicenda. Un effetto simile fu la rovina del ponte sospeso di Broughton nel nord dell’Inghilterra nel 1831: la frequenza di marcia dei soldati che attraversavano il ponte all’unisono si sovrapponeva alla sua frequenza propria, innescando l’amplificazione delle oscillazioni e causandone il crollo.
Reinserimento delle linee a rischio dopo un collasso della rete
La bassa frequenza di risonanza delle reti di cavi interrati rappresenta un problema in particolare quando le linee vengono reinserite, ad esempio dopo l’eliminazione di perturbazioni o dopo le disconnessioni pianificate per i lavori di manutenzione, in quanto l’amplificazione delle oscillazioni può causare danni o disinserimenti. Un ulteriore fattore è che la riparazione di un cavo interrato è molto più complessa e costosa di quella di una linea aerea in quanto è posato nel suolo. I cavi interrati danneggiati rimangono quindi spesso fuori servizio per settimane o addirittura mesi.
Il crescente cablaggio del sistema globale può avere un effetto potenzialmente drammatico in caso di collasso della rete. I collassi della rete sono perturbazioni su larga scala dell’approvvigionamento elettrico causate dal guasto simultaneo di diversi elementi della rete di trasmissione. In questi casi, fortunatamente molto rari, è fondamentale che la Svizzera ripristini la propria rete il più rapidamente e il più fluidamente possibile. A tal fine, Swissgrid ha suddiviso la rete di trasmissione in quattro cellule di ripristino della rete.
Ogni cellula comprende un’area con le cosiddette centrali elettriche con capacità di avviamento autonomo. Dopo il collasso della rete, possono utilizzare la propria generazione di energia elettrica per ricostruire la frequenza, la tensione e la potenza necessarie e ripristinare così gradualmente le reti circostanti. Lo studio sui cavi in Svizzera mostra che gli effetti di risonanza e l’amplificazione delle oscillazioni possono, a seconda della lunghezza dei cavi interrati e della loro vicinanza a centrali elettriche con capacità di avviamento autonomo, ostacolare o addirittura impedire a una cellula di ripristinare la rete dopo un collasso su larga scala.
Conclusione: facendo «come si è sempre fatto» si mette a rischio la sicurezza dell’approvvigionamento
Lo studio sui cavi mostra che la costruzione di cavi interrati nella rete di trasmissione è possibile solo in misura molto limitata. Conferma le grandi sfide tecniche e operative legate al crescente cablaggio, che Swissgrid evidenzia da tempo. Queste sfide si basano sulle specifiche proprietà fisiche dei cavi interrati. Lo studio giunge alle seguenti conclusioni.
- Più impianti, maggiore complessità e costi più elevati: i cavi interrati generano una potenza reattiva significativamente maggiore rispetto alle linee aeree. Per evitare dannose sovratensioni e guasti alla rete, questa potenza reattiva deve essere assorbita mediante impianti di compensazione supplementari. Gli impianti di compensazione aumentano la complessità della gestione della rete, richiedono spazio, sono rumorosi e comportano costi elevati.
- Dopo un collasso, il ripristino della rete è più complicato: i cavi interrati riducono le frequenze di risonanza della rete di trasmissione, aumentando il rischio che, dopo un collasso, in intere regioni sia impossibile ripristinare la rete a causa dell’amplificazione delle oscillazioni. Inoltre, gli effetti di risonanza aumentano il rischio di instabilità delle centrali elettriche e della gestione della rete, nonché dei componenti della rete e dei dispositivi elettrici.
- Più bassa è la percentuale di cavi, più stabile è l’esercizio della rete: a causa dei fenomeni illustrati nello studio sui cavi, la percentuale di cavi interrati nella rete di trasmissione deve essere mantenuta bassa, soprattutto al livello di tensione più alto di 380 chilovolt.
Il cablaggio incontrollato secondo il principio del «first come, first served» ha un impatto negativo sulla stabilità della rete e sulla sicurezza dell’approvvigionamento in Svizzera. Di concerto con le autorità, Swissgrid mira pertanto a sviluppare una sistematica che le consenta di valutare da una prospettiva olistica in quali punti della rete di trasmissione il cablaggio interrato rappresenti una variante di implementazione necessaria e accettabile per i futuri progetti di rete.
Procedure di autorizzazione efficienti per l’ampliamento della rete grazie a una chiara decisione sulla tecnologia
Lo studio sui cavi in Svizzera conferma il principio proposto nel progetto in consultazione della legge sugli impianti elettrici per la conversione e l’ampliamento delle reti elettriche («Accelerazione della rete»): le linee aeree devono avere la priorità nella rete di trasmissione, mentre i cavi interrati possono essere esaminati solo se vengono soddisfatti determinati criteri, snellendo le procedure, riducendo i ritardi e contribuendo a conformare più rapidamente la rete elettrica ai requisiti della transizione energetica. In questo modo si mantiene la rete sicura e stabile senza gravare sulle consumatrici e sui consumatori di corrente con costi aggiuntivi significativi.
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