Con la tensione diretta nel futuro dell'elettricità

Quando l'elettricità e la luce elettrica cominciarono ad essere utilizzate verso la fine del XIX secolo, il mecenate industriale americano George Westinghouse favorì la corrente alternata come standard per la rete elettrica da costruire. Egli ingaggiò un'aspra e bizzarra disputa con il suo rivale Thomas Alva Edison, favorevole alla corrente continua, che passò alla storia come la "guerra dell'elettricità" (vedi riquadro). La corrente alternata prevalse e con essa Westinghouse, che da allora è considerato il pioniere della tecnologia che oggi costituisce la base della fornitura di elettricità in tutto il mondo. A 100 anni dalla sua morte, si ripropone la domanda su quale sarà la tipologia tecnica dell'elettricità del futuro.

Corrente continua in crescita

La corrente alternata cambia periodicamente direzione. Rispetto alla corrente continua, che scorre sempre nella stessa direzione, ha lo svantaggio di produrre perdite molto più elevate durante la trasmissione, che aumentano con la distanza. Le reti elettriche convenzionali sono quindi progettate per trasportare l'energia elettrica solo per 100-200 chilometri da alcune centrali elettriche ai consumatori dell'area circostante.

Nell'ambito della svolta energetica, l'Europa vuole ora fornire elettricità sostenibile proveniente da parchi eolici offshore nel Mare del Nord e nel Mar Baltico o da impianti solari nel sud, su lunghe distanze fino ai centri di consumo. "Le reti a corrente alternata esistenti non sono adatte a questo scopo", spiega Christian Franck, professore di ingegneria dell'alta tensione all'ETH di Zurigo. Insieme al suo team, sta sviluppando tecnologie per una rete elettrica efficiente del futuro. "Si baserà sulla corrente continua", è sicuro Franck. L'attenzione è rivolta alla cosiddetta trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC), che può trasportare l'energia con una perdita di solo circa il tre per cento per mille chilometri. L'HVDC costituisce la base della "supergrid" europea, che verrà costruita parallelamente alla rete a corrente alternata esistente.

L'HVDC non è una tecnologia nuova in sé. Viene già utilizzata, ad esempio, per collegare la rete scandinava con la terraferma europea attraverso il Mare del Nord e il Mar Baltico. Tuttavia, le linee HVDC sono esistite finora solo come connessioni punto a punto, all'inizio e alla fine delle quali sono presenti complesse stazioni di conversione che convertono la corrente alternata in corrente continua e viceversa, con perdite elevate. Per sfruttare i vantaggi della tecnologia a corrente continua è necessaria una rete stabile. Per raggiungere questo obiettivo, non solo i produttori di tecnologia a corrente continua devono concordare uno standard, ma devono anche colmare importanti lacune tecniche.

Fusibili per la supergrid

Un problema è che non esistono ancora dispositivi di protezione per l'HVDC. Se, ad esempio, un albero cade su una linea e provoca un cortocircuito, sono necessari potenti interruttori per scollegare rapidamente la linea guasta. Come per i fusibili in casa, la velocità è fondamentale. Nelle reti ad alta tensione in corrente continua, correnti di guasto di diverse decine di migliaia di ampere devono poter essere interrotte entro millesimi di secondo. "Purtroppo, finora esistono solo pochi prototipi di interruttori di questo tipo", spiega Franck. Sebbene siano in grado di interrompere rapidamente la corrente, hanno perdite elevate e sono molto costosi. In una collaborazione industriale con ABB, il gruppo di Franck sta lavorando a un concetto di interruttore che utilizza normali contatti metallici per compensare questi svantaggi. Tuttavia, poiché questi devono essere aperti meccanicamente per interrompere la corrente, i tempi di spegnimento sono un po' più lunghi.

Sfruttare le linee aeree esistenti

Nel laboratorio di alta tensione dell'ETH, Franck e il suo team di ricercatori stanno anche pensando a come costruire una rete HVDC. Il concetto di supergrid si basa su nuove linee elettriche ad alta tensione, come quelle che la Germania sta progettando per l'asse nord-sud. Tuttavia, l'esperienza ha dimostrato che la popolazione è fortemente contraria a queste autostrade elettriche. "Non è ancora tecnicamente o economicamente possibile realizzare una rete completamente sotterranea con cavi, perché la loro capacità di trasmissione è ancora troppo bassa", afferma Franck. Egli vede una soluzione nell'adeguamento dei tralicci ad alta tensione esistenti in modo che i singoli conduttori possano trasportare anche la corrente continua. L'ideale sarebbe quasi triplicare la capacità di trasmissione utilizzabile. Nell'ambito di un progetto con Swissgrid, gli scienziati stanno studiando come dovrebbero essere convertiti i tralicci elettrici svizzeri.

Gas isolanti rispettosi del clima

Il team di Franck sta anche studiando i gas che possono essere utilizzati per isolare l'alta tensione in spazi ristretti, ad esempio nei quadri elettrici delle centrali o sulle piattaforme offshore. Finora il gas isolante più utilizzato è stato l'esafluoruro di zolfo (SF6). Tuttavia, l'SF6 è uno dei gas serra più potenti in assoluto: un chilogrammo di questo gas riscalda il clima quanto 22.800 chilogrammi di CO2. Il gruppo sta quindi cercando miscele di gas a impatto climatico zero per sostituire l'SF6. Se si riuscisse nell'intento, un maggior numero di cavi CC potrebbe essere isolato con questo gas sostitutivo, invece del polietilene solido che si usa attualmente. Questo perché i cavi isolati con gas hanno una capacità di trasmissione significativamente più elevata. "Cavi sostenibili e più efficienti potrebbero un giorno diventare un'alternativa alle nuove linee aeree", spera Franck. Se i ricercatori dell'ETH avranno successo con tutti i loro progetti, a lungo termine Thomas Alva Edison potrebbe ancora vincere la guerra dell'elettricità.