Distribuzione di energia elettrica

La distribuzione di energia elettrica, nell'ingegneria elettrica, è l'ultima fase nel processo di consegna dell'energia elettrica all'utente finale dopo la produzione e la trasmissione e si realizza attraverso un'infrastruttura di rete tipica qual è la rete di distribuzione elettrica capillare fino agli utenti o utilizzatori finali.

Generalità

Generalmente tale rete comprende linee elettriche a media tensione (tra 1 e 35 kV) e linee a bassa tensione (tra 50 e 1000 V), impianti di trasformazione AT/MT (cabine primarie), trasformatori su pali o cabine elettriche a media tensione (cabine secondarie), sezionatori e interruttori, strumenti di misura. Le linee ad alta tensione (tra 35 e 400 kV) fanno invece parte della rete di trasmissione che alimenta la rete di distribuzione.^[1]

Il trasporto su lunga distanza è più efficiente operando ad alta tensione. Avvicinandosi all'utente finale, invece, la tensione necessita di essere progressivamente abbassata per motivi di sicurezza (si abbassa il rischio di folgorazione) e anche perché generalmente i carichi elettrici delle utenze industriali e quelli delle utenze domestiche lavorano rispettivamente a media e bassa tensione.

In Italia mentre la trasmissione su lunghe distanze è gestita da un unico operatore (Terna), per la distribuzione di energia elettrica fino agli utenti finali sono presenti numerose società. In ciascuna area la distribuzione viene data in concessione ad un unico operatore (monopolio naturale)^{[senza fonte]}, mentre l'attività di vendita di energia è lasciata in capo a soggetti diversi che possono offrire proposte ai consumatori. È stata invece liberalizzata a più operatori l'attività di produzione con il cosiddetto Decreto Bersani, favorendo la libera concorrenza nel mercato elettrico.

Sistemi di distribuzione

Nell'era pionieristica dell'elettricità, la produzione era effettuata in corrente continua e la consegna avveniva entro brevi distanze alla stessa tensione. Verso la fine del 1800, vi fu un rapido (seppure combattuto, con la cosiddetta Guerra delle correnti) passaggio alla corrente alternata con il sistema trifase, che permetteva il funzionamento di trasformatori statici ad alta efficienza e quindi la trasmissione e distribuzione a notevole distanza.

Gli elettrodotti portano l'energia ad altissima tensione (tra i 220 e i 380 kV) dalle centrali elettriche fino alle sottostazioni elettriche alle porte delle città o dei distretti di distribuzione. Qui, autotrasformatori di notevoli dimensioni (con potenze che vanno dai 100 ai 400 MVA) riducono la tensione secondo le esigenze della distribuzione primaria, con tensioni che possono essere di 150, 132 o 60 kV; attraverso elettrodotti aerei o interrati in cavo (con isolamento a olio o in gomma etilenpropilenica EPR), l'energia elettrica giunge negli impianti di trasformazione AT/MT (alta tensione / media tensione), denominati cabine primarie, dove, con trasformatori di potenza compresa tra i 10 e i 60 MVA, viene ulteriormente abbassata a una tensione che, a seconda dei distributori, può variare tra gli 8,4 kV (come nella rete di Roma) e i 20 kV, per essere immessa poi nella rete elettrica a media tensione.

L'elettricità prosegue su elettrodotti minori su tralicci e pali in aree di campagna, oppure in cavi isolati nel sottosuolo urbano, fino alle sottostazioni di media tensione (cabine secondarie). Nelle cabine secondarie di media tensione (MT) altri trasformatori (con potenze comprese tra 50 e 1.000 kVA) riducono la tensione al valore finale di consegna all'utente, in Italia 400 V trifase. Da questo punto fino al contatore dell'utente si può parlare di consegna di energia elettrica, la quale avviene utilizzando cavi isolati e, più raramente e nel caso di località rurali, su linee aeree su palo. La distribuzione dell'energia elettrica prosegue all'interno degli edifici/aziende attraverso gli impianti elettrici privati degli utenti finali per alimentare i vari carichi.

Gli avvolgimenti primari e secondari del trasformatore di consegna possono essere configurati a stella o a triangolo. (Nota: esiste anche il collegamento a zig-zag che sebbene permetta di unire i vantaggi degli altri due e riequilibrare i carichi squilibrati è caduto in disuso per ragioni economiche)

Le combinazioni possibili sono:

triangolo-triangolo
triangolo-stella
triangolo-zig-zag

stella-stella
stella-triangolo
stella-zig-zag

Il sistema più usato nel mondo e anche in Italia è il triangolo-stella. In questa configurazione, il centro stella del secondario, chiamato neutro, viene collegato a un impianto di dispersione (puntazze infisse nel terreno) nei pressi del trasformatore; dopo di che, viene consegnato alle abitazioni assieme a una delle tre fasi (si dice centro stella a terra o neutro a terra, prima delle utenze, trattasi di un regime di neutro detto TT, sistema monofase 230 V). In un sistema trifase a 400 V, la tensione presente tra fase e neutro è di 230 V. Agli utilizzatori maggiori (laboratori, industrie, ecc.) vengono consegnate tutte e tre le fasi più il neutro.

In alcune zone del mondo, e anche in poche zone d'Italia (in particolare nei pressi di Roma tra cui Ostia^{[senza fonte]}), viene usata una distribuzione bifase: nelle case vengono portate due fasi di un sistema trifase con tensione fase-fase di 220 V. In questo caso, la tensione fase-neutro è di 127 V, e, in alcune nazioni, (per es. gli Stati Uniti) sono messe a disposizione entrambe le tensioni su prese differenti. La tensione minore è usata per l'illuminazione, mentre la maggiore è impiegata per alimentare grossi carichi per elettrodomestici come lavatrici e condizionatori.

Schema di distribuzione

Per quanto riguarda lo schema della rete di distribuzione essa può essere principalmente in quattro tipi:

radiale;
radiale a circuiti paralleli;
ad anello;
a maglia.

Messa a terra

In cabina di trasformazione, il neutro dell'avvolgimento BT del trasformatore MT/BT può essere messo a terra, ovvero collegato alla maglia di terra della cabina. Per ridurre la resistenza di contatto, la stessa cosa è ripetuta in più punti lungo la linea di consegna. L'impianto elettrico privato è solitamente messo a terra attraverso un proprio impianto e con un proprio dispersore. In questo modo, in caso di guasto verso terra di un apparecchio, si crea una corrente di ritorno attraverso la terra che provoca lo scatto dell'interruttore differenziale di protezione.

Questo sistema è detto Terra-Terra (TT), poiché la corrente di guasto ritorna al neutro attraverso la terra.

Contabilizzazione

Un vecchio contatore monofase e uno trifase

La consegna a 230/400 V avviene attraverso un gruppo di misura dell'energia e di limitazione della potenza assorbita, che ha lo scopo di contabilizzare i consumi per la fatturazione con un contatore di energia e definire il punto di consegna ma, in Italia, non quello di offrire una prima protezione contro sovraccarichi e cortocircuiti in quanto si tratta di un semplice limitatore a sgancio elettronico e non di un interruttore magnetotermico. Lo strumento è essenzialmente un wattmetro integratore elettromeccanico o, negli apparecchi recenti, elettronico, in grado di totalizzare l'energia attiva (potenza attiva integrata nel tempo) consumata. Nelle consegne trifase rilevanti, viene contabilizzata a parte anche l'energia reattiva, sulla quale è applicato un sovrapprezzo, in quanto dannosa per l'ente erogatore e perché potrebbe essere ridotta con dei condensatori.

Caratteristiche di fornitura

Le caratteristiche tecniche dell'energia elettrica consegnata al cliente sono stabilite dalla normativa elettrica e sono principalmente determinate da:

Configurazione delle fasi: monofase, bifase o trifase;
Tensione nominale: in Italia 400 V fase-fase, ovvero 230 V fase-neutro con tolleranza ±10% (questo secondo la norma tecnica CEI 8-6 Tensioni nominali dei sistemi elettrici di distribuzione pubblica a bassa tensione, diventata obbligatoria a seguito dell'entrata in vigore del Decreto-legge 24 gennaio 2012, n. 1, articolo 21, in materia di "Disposizioni urgenti per la concorrenza, lo sviluppo delle infrastrutture e la competitivita'");
Frequenza: In Europa 50 Hz
Corrente nominale massima (dipendente dal contratto di fornitura);
Massimo sfasamento ammesso dall'azienda erogatrice;
Stato del neutro e delle masse rispetto alla terra: TT, TN, TN-S, TN-C o TN-C-S (v. Sistemi di Terra);
Corrente massima di cortocircuito (dichiarata al punto di consegna dall'ente erogatore);
Massimo livello e frequenza dei transienti, delle sovratensioni temporanee e delle microinterruzioni;
Continuità del servizio, garanzie contro i black-out;
Alcuni gestori offrono la possibilità di tariffazione secondo fasce orarie ovvero intervalli/scaglioni di tempo durante l'arco delle 24 ore in cui il prezzo dell'energia elettrica venduta varia tipicamente in funzione della sua domanda assoluta (es. prezzi maggiori in corrispondenza del picco diurno, prezzi inferiori la sera e la notte). L'utente ha così il vantaggio di minimizzare le proprie spese scegliendo la fascia oraria di minor costo per i propri consumi di energia elettrica.

In Italia

Precedentemente al processo di normalizzazione della rete elettrica nazionale, queste erano le tensioni d'esercizio (in volt), per illuminazione/applicazioni domestiche, nei principali centri cittadini^[2]:

Agrigento, 150/260
Alessandria, 160/280
Ancona, 127/220
Aosta, 150/260
Arezzo, 125/220
Ascoli Piceno, 127/260
Asti, 127/220
Avellino, 150/260
Bari, 150/260
Belluno, 125/220
Benevento, 150/260
Bergamo, 160/280
Bologna, 125/220
Brescia, 125/220
Cagliari, 150/260
Campobasso, 137/240
Caserta, 150/260
Catania, 150/260
Catanzaro, 150/260
Chieti, 150/260
Como, 125/220
Cosenza, 150/260
Cremona, 125/220
Ferrara, 125/220
Firenze, 160/275
(Fiume), 105/210
Foggia, 127/220
Forlì, 125/220
Frosinone, 150/260
Genova, 125/220
Gorizia*, 125/220
Gorizia*, 220/380
Grosseto, 150/260
Imperia, 125/220
L'Aquila, 127/220
Lecce, 150/260
Livorno, 150/260
Lucca, 150/260
Macerata, 127/220
Mantova, 125/220
Massa, 125/220
Matera, 127/220
Messina, 150/260
Milano*, 160/160
Milano*, 160/280
Modena, 125/220
Napoli, 150/260
Novara, 125/220
Padova, 130/230
Palermo, 150/250
Parma*, 125/250
Parma*, 150/300
Pavia, 125/220
Perugia, 127/220
Pesaro, 127/220
Pescara, 127/220
Pisa, 110/190
Pistoia, 150/260
(Pola), 220/380
Potenza, 127/220
Ravenna, 127/220
Reggio Calabria, 125/220
Reggio Emilia*, 125/220
Reggio Emilia*, 150/260
Rieti, 127/220
Roma*, 105/105
Roma*, 125/220
Sassari, 150/260
Savona, 150/260
Siracusa, 150/260
Sondrio, 110/190
Taranto, 150/260
Teramo, 127/220
Terni, 120/210
Torino, 125/220
Trapani, 125/220
Trento, 220/220
Treviso, 125/220
Trieste*, 110/110
Trieste*, 125/220
Udine, 125/220
Varese, 125/220
Venezia, 125/220
Vercelli*, 125/220
Vercelli*, 160/160
Verona, 125/220
Vicenza, 125/220
Viterbo, 140/240
(Zara), 150/300

* = Due diverse aziende elettriche con tensioni d'esercizio differenti.

La normalizzazione delle tensioni cominciò nel 1950. Da quella data, tutte le nuove reti di distribuzione di corrente dovevano essere almeno predisposte a lavorare alle tensioni di 125 o 220 V nei circuiti monofase e alle tensioni concatenate di 220 o 380 V per i trifase (implicando quindi una tensione di fase di 125 o 220 V). Restavano consentite reti funzionanti a 160-275 V e loro ampliamenti, purché non interessassero zone servite con la nuova tensione normale. L'uniformazione della tensione era prevista entro il 1960 per le reti che non fossero esercite nelle tensioni ancora tollerate di 160-275 V, mentre per queste ultime era prevista una graduale trasformazione dopo il '60^[3].

A partire dagli anni sessanta la consegna e la distribuzione dell'energia elettrica in Italia veniva svolta in regime di monopolio pubblico da parte dell'Enel; negli anni novanta il settore è stato progressivamente privatizzato e liberalizzato a più gestori (decreto legislativo n. 79 del 1999), e attualmente diverse aziende tra cui società private e municipalizzate svolgono il servizio producendo in proprio l'energia o acquistandola alla borsa elettrica da produttori e trasportatori. Attualmente invece è Terna la società che in Italia si occupa di gestire tutti gli aspetti legati alla trasmissione dell'energia elettrica sulla rete nazionale ad alta e altissima tensione.

Nel 2012 le tensioni di 125 (già di fatto abbandonata), 220 e 380 V furono rese obsolete e le norme di legge divennero 230 V di fase e 400 V tra fasi concatenate, recependo la norma CEI 6-8^[4].

Contatore elettronico

Aiuto

Smart meter: campione audio (info file)

start=

«Telelettura contatore elettrico GEMIS 2017 OM.410
con trasmissione dei dati sulla radiofrequenza di 86 kHz»

I misuratori elettronici (smart meter) sono stati installati presso quasi tutti gli utenti finali, sulla spinta della flessibilità tariffaria propugnata dall'AEEG, seguendo una tempistica di installazione pianificata dalla delibera n. 292/2006. Nel 2007 si è conclusa l'installazione dei contatori elettronici per gli utenti in media tensione, mentre nel 2011 l'installazione copriva il 95% delle utenze in bassa tensione.^[5]

I contatori elettronici permettono la misura della potenza attiva e potenza reattiva immesse e prelevate; l'utente può quindi fornire energia alla rete, e ciò incentiva l'autoproduzione e l'uso delle fonti rinnovabili (in particolare gli impianti fotovoltaici). Tali contatori permettono inoltre di applicare tariffe diversificate per fasce orarie, spingendo gli utenti all'utilizzo degli elettrodomestici al di fuori delle ore di punta, e riflettendo giustamente il valore dell'energia elettrica sulla borsa dell'energia.

Dettaglio consumatori per classi di potenza contrattuale

Il dettaglio della distribuzione di energia elettrica nel 2018 per classi di potenza contrattuale e relativi consumi elettrici dei clienti domestici residenti è la seguente:^[6]

Classe di potenza	Numero di contratti	Incidenza	Consumo totale della classe (GWh)	Prelievo medio annuo per contratto (kWh)
fino a 1,5 kW	131.000	0,55%	103	787
più di 1,5 a 3 kW	21.548.000	90,85%	43.379	2.013
più di 3 a 4,5 kW	1.191.000	5,02%	3.945	3.313
più di 4,5 a 6 kW	737.000	3,11%	2.985	4.050
più di 6 a 10 kW	81.000	0,34%	535	6.637
più di 10 a 15 kW	24.000	0,10%	245	10.092
più di 15 kW	7.000	0,03%	131	19.408
Totale residenti	23.719.000	100,00%	51.323	2.164

Il dettaglio della distribuzione di energia elettrica nel 2018 per classi di potenza contrattuale e relativi consumi elettrici dei clienti domestici non residenti è la seguente:

Classe di potenza	Numero di contratti	Incidenza	Consumo totale della classe (GWh)	Prelievo medio annuo per contratto (kWh)
fino a 1,5 kW	329.000	5,67%	94	286
più di 1,5 a 3 kW	4.706.000	81,07%	4.040	858
più di 3 a 4,5 kW	369.000	6,36%	780	2.112
più di 4,5 a 6 kW	327.000	5,63%	901	2.755
più di 6 a 10 kW	48.000	0,83%	268	5.530
più di 10 a 15 kW	18.000	0,31%	171	9.575
più di 15 kW	7.000	0,12%	173	24.220
Totale non residenti	5.805.000	100,00%	6.426	1.107

Ai clienti domestici risultano riferiti un totale di 29.524 contratti con un prelievo totale di 57.750 GWh nel 2018, risultando in una media di consumo per contratto di 1.956 kWh/annui.

Distribuzione di prossima generazione

Un campo di ricerca attivo è quello che riguarda le cosiddette smart grid ovvero reti di distribuzioni elettriche intelligenti capaci di indirizzare altrove eventuali surplus energetici prodotti localmente tramite generazione distribuita, massimizzando così l'efficienza di produzione ed evitando sprechi. Questo è reso possibile da opportuni sistemi di automazione tramite software. Tali sistemi diventerebbero indispensabili nel caso la rete elettrica di distribuzione dovesse integrare ai suoi estremi grandi contributi di produzione da parte di fonti energetiche rinnovabili come eolico e fotovoltaico che hanno, a livello locale, caratteristiche intrinseche di intermittenza e variabilità di produzione.

Note

^ Elementi di impianti elettrici (PDF), su die.ing.unibo.it. URL consultato il 21 gennaio 2013 (archiviato il 12 giugno 2013).
^ Libro di casa, Editoriale Domus, 1946 e 1954.
^ Legge 23 aprile 1949, n. 105, in materia di "Normalizzazione delle reti di distribuzione di energia elettrica a corrente alternata, in derivazione, a tensione compresa tra 100 e 1000 volt."
^ Decreto-legge 24 gennaio 2012, n. 1, articolo 21, in materia di "Disposizioni urgenti per la concorrenza, lo sviluppo delle infrastrutture e la competitività" e Tensioni nominali dei sistemi elettrici di distribuzione pubblica a bassa tensione (Norma italiana CEI 8-6), 1998-04 (archiviato il 14 aprile 2021).
^ Alessandro Ammetto, Il Mercato dell'energia elettrica, Milano, McGraw-Hill, 2014, p. 106, ISBN 978-88-386-7450-1.
^ Autorità di Regolazione per Energia Reti e Ambiente, Relazione Annuale 2019 - Volume 1 - Stato dei servizi (PDF), su arera.it. URL consultato il 26 gennaio 2020 (archiviato il 26 gennaio 2020).