Generazione di elettricità

Benjamin Franklin iniziò a esplorare l'elettricità usando una chiave di metallo attaccata a un aquilone durante un temporale, un'attività certamente non sicura per gli standard di salute e sicurezza odierni.  

Secondo la sua teoria le nuvole temporalesche trattengono l'elettricità statica e i fulmini sono scariche di elettricità statica. Un fulmine colpendo la chiave la elettrizzerebbe, dimostrando che fulmine ed elettricità sono il risultato dello stesso fenomeno. La sua idea era corretta, infatti il fulmine è il risultato degli elettroni che viaggiano dalle nuvole alla terra, ma gli mancavano i concetti scientifici per esprimere a pieno quell'idea.  

La sua teoria fu poi ripresa e il 19esimo secolo vide rapidi progressi nella scienza dell'elettricità, nell'ingegneria elettrica e nella tecnologia della generazione di energia.  

I pionieri dell'elettricità come Alexander Graham Bell, Nicolas Tesla, Werner von Siemens e molti altri hanno contribuito a trasformare l'elettricità da curiosità scientifica in una parte essenziale della vita quotidiana. Alcuni di quei pionieri hanno dato vita a veri e propri imperi industriali. Tra loro si distinguono Thomas Edison e George Westinghouse. Edison e Westinghouse sono stati anche i protagonisti di uno degli episodi più affascinanti della storia dell'ingegneria: la guerra delle correnti. Ma ci torneremo. 

L'elettricità è una forma di energia e consiste in un flusso di elettroni in un materiale conduttivo.  

Gli elettroni sono particelle caricate negativamente che circondano l'atomo. Il nucleo di un atomo contiene particelle cariche positivamente chiamate protoni e particelle prive di carica chiamate neutroni. Normalmente, un atomo può avere tanti elettroni quanti protoni. Quindi, quando il flusso di elettricità fa scontrare un elettrone con un altro atomo, quest'ultimo diventa un elettrone di troppo per l'atomo ricevente. Dunque, un altro elettrone si scontra con un altro atomo. Questo è il flusso di elettricità. 

Come viene prodotta l'energia elettrica? 

L'elettricità è generata da macchine progettate per mettere in movimento il flusso di elettroni e mantenerlo. Questo è ciò che fanno i generatori elettrici. Esistono altri modi di generare elettricità, per esempio pannelli solari e batterie.  

Un generatore richiede un movimento rotatorio, solitamente fornito da un qualche tipo di turbina o motore. Il moto rotatorio viene trasferito al rotore del generatore. All'interno del generatore, il rotore crea un campo magnetico. Quando il rotore ruota, anche il campo magnetico ruota con esso. Il campo magnetico rotante eccita gli elettroni nei conduttori di rame che si trovano nella parte statica del generatore, ed è questo che crea il flusso di elettricità. Puoi pensarlo come il campo magnetico che spinge gli elettroni nello statore finché non iniziano a muoversi. Il flusso di elettricità viene incanalato attraverso i conduttori di rame fuori dal generatore, nei cavi elettrici e fuori dalla centrale.

Rispondiamo a questa domanda al contrario.  

Quando premi un interruttore in casa la luce si accende. Lo facciamo decine di volte al giorno senza pensare a cosa succede esattamente o a quale tipo di sistema elettrico lo rende possibile.  

Torniamo indietro per un momento al flusso di elettricità. L'energia elettrica entra in casa dal quadro elettrico attraverso un ingresso di servizio. L'ingresso di servizio si collega ai cavi di bassa tensione sulle linee elettriche aeree, che a loro volta si collegano a un trasformatore montato su un palo. I trasformatori su palo si collegano alle linee aeree di media tensione e alla cosiddetta rete di distribuzione, che collega le utenze elettriche locali all'interno di una determinata area.  

La rete di distribuzione si collega alla rete di trasporto tramite una sottostazione. La rete di trasporto è costituita da linee elettriche ad alta e altissima tensione progettate per trasferire grandi quantità di elettricità su grandi distanze. Queste linee elettriche portano alle centrali elettriche, dove viene prodotta l'elettricità.  

Pensa alla corrente elettrica come l'acqua che scorre attraverso un tubo. All'inizio del tubo, forse a centinaia di chilometri di distanza, la pressione dell'acqua è estremamente alta. Man mano che si avvicina ai quartieri e alle case, la pressione si riduce a pressioni più gestibili. Ecco perché in ogni fase del percorso sono presenti sottostazioni e trasformatori che riducono la tensione dell'energia elettrica.

Cos'è l'energia rinnovabile?

L'energia rinnovabile è semplicemente l'elettricità generata utilizzando fonti di energia rinnovabile. Energia solare, eolica e idroelettrica sono i modi più comuni per generare energia rinnovabile.  

La domanda di elettricità rinnovabile è in aumento per due ragioni fondamentali. La prima è la convenienza. I pannelli solari e le turbine eoliche sono migliorati in qualità e divenuti più economici nel corso degli anni. La seconda ragione è di tipo ambientale. La tolleranza per le emissioni associate alle centrali a combustibili fossili sta rapidamente diminuendo. Questo porta alla tendenza a sostituire le centrali di energia fossile con fonti di energia rinnovabile.  

Cosa sono CA e CC? 

La corrente alternata (CA) e la corrente continua (CC) sono due modi diversi in cui la corrente elettrica può fluire in un circuito.  

La CC scorre a un ritmo costante e sempre nella stessa direzione. La CA scorre a un ritmo variabile e la direzione del flusso cambia frequentemente.  

Quando diciamo che la fornitura di elettricità in Nord America è a 60 Hz, significa che la direzione del flusso di CA cambia 60 volte al secondo. Pensate alla corrente alternata come all'albero motore di un'auto da corsa sportiva e veloce. Questa dispone di numerosi cilindri che spingono l'albero motore per spostare l'auto, ma i cilindri non spingono l'albero motore contemporaneamente. Tutti insieme spingono l'auto e quel movimento sembra costante.  

Ora pensate alla CC come a un trapano manuale. Il trapano comporta movimento costante e alimentazione elettrica costante in qualsiasi sua attività.  

Agli albori dell'elettrificazione, sia la corrente continua che la corrente alternata erano viste come modi validi per generare, trasportare, distribuire e consumare elettricità. Questo ci riporta a Edison e Westinghouse.  

Edison immaginava un sistema elettrico basato sulla corrente continua. Westinghouse sosteneva lo sviluppo di un sistema a corrente alternata. Secondo loro i sistemi AC e DC si escludevano a vicenda, quindi uno doveva prevalere sull'altro. Ciò provocò un'aspra rivalità che è entrata negli annali della storia.  

Alla fine, la corrente alternata è diventata il tipo di elettricità dominante, perché era molto più facile da trasportare e distribuire in modo efficiente dalle centrali elettriche alle sottostazioni, alle case e alle aziende.  

Frammenti del sistema elettrico CC di Edison sono rimasti a New York City fino al 20° secolo, servendo ad esempio vecchi edifici che avevano ascensori CC o il sistema della metropolitana, i cui treni circolavano a CC. L'ultimo cliente del servizio CC a Manhattan, un edificio sulla 40th Street, è stato scollegato nel 2007.  

È interessante il fatto che le linee di trasmissione a CC stiano tornando in auge in alcune applicazioni. Sono, ad esempio, una scelta comune per i cavi sottomarini che riportano a terra l'elettricità generata dai parchi eolici offshore. Il motivo per cui le linee a CC possono connettersi alla rete CA è che ora abbiamo l'elettronica di potenza, che è in grado di convertire l'elettricità tra CC e CA con perdite minime: nel 19° secolo l'elettronica di potenza non era ancora stata inventata, quindi Edison e Westinghouse non disponevano di questa opzione.

È interessante notare che l'aumento di produzione dienergia rinnovabile da risorse solari ed eoliche sta favorendo una ripresa dell'interesse per l'elettricità a CC. Le ragioni sono numerose.

La prima ragione sta nel fatto che la corrente continua tende a essere una buona scelta per i cavi sottomarini che riportano a terra l'elettricità generata dai parchi eolici offshore. Queste connessioni CC sono talvolta note come linee HVDC, come nelle linee CC ad alta tensione.  

Un altro motivo è il fatto che i pannelli fotovoltaici possono produrre solo elettricità CC.

La terza ragione è il risultato del maggiore utilizzo di sistemi di accumulo di energia a batteria su larga scala, che sono spesso costruiti insieme ai pannelli fotovoltaici per aiutare a mitigare la loro variabilità e, come i pannelli fotovoltaici, possono produrre solo elettricità CC. Tutti questi elementi CC sono collegati alla rete elettrica più ampia, che dispone di elettricità a CA, utilizzando l'elettronica di potenza in grado di convertire l'elettricità tra CC e CA con perdite minime.

L'elettronica di potenza non era ancora stata inventata nel 19° secolo e, sfortunatamente per Edison e Westinghouse, quell'opzione non era disponibile per la loro riconciliazione.