Mantenere il flusso di elettricità
di Wolfgang Kröger
Tra tutte le infrastrutture critiche da cui dipendono le nostre società, il sistema di trasmissione dell’elettricità è senza dubbio la più importante. Industria, comunicazioni e trasporti non potrebbero funzionare senza un approvvigionamento affidabile di energia elettrica.
La rete ad alta tensione europea è distribuita su cinque zone sincrone, gestite da 41 operatori del sistema di trasmissione (TSO) in 34 paesi e serve 534 milioni di cittadini. Un sistema a componenti multipli così altamente interconnesso presenta comportamenti complessi ed è soggetto a incidenti a livello locale o distribuiti geograficamente. Garantire la normale operatività della rete elettrica è difficile anche nelle migliori condizioni. I profondi cambiamenti a livello politico e organizzativo che il settore energetico sta attraversando, ovvero il previsto aumento della quota di fonti di energia rinnovabile e il passaggio a un mercato energetico competitivo disaggregato, pongono oggi nuove sfide.
In primo luogo, l’integrazione dell’energia eolica o solare, che viene prodotta in modo intermittente, spesso in aree di utenza distanti e in fasce orarie di basso consumo, richiede trasmissioni massicce di elettricità e di livellamento dei picchi.
In secondo luogo, il coordinamento risulta complicato da transazioni a breve termine che comportano l’impiego di dati operativi quasi in tempo reale e scambi di energia transfrontalieri sempre maggiori. In passato un ente unico, che possedeva e gestiva l’intera catena di approvvigionamento, godeva generalmente del diritto assoluto di fornire energia elettrica ai consumatori. Oggi, in un’epoca di liberalizzazione del mercato e di monopoli disgregati, ogni operatore segue proprie procedure e regole, mentre la sicurezza della fornitura di un bene pubblico dovrebbe essere garantita da un ente pubblico.
In Europa continentale, una raccolta generale di principi operativi, standard tecnici e raccomandazioni aiuta i TSO nella gestione delle loro reti e ne assicura l’interoperabilità. Interferire con le forze del mercato è vietato purché non sia in gioco la sicurezza.
Gli incidenti accadono
A prescindere dall’accuratezza con cui si calcolano e monitorano i carichi, un approccio responsabile alla gestione del rischio presuppone che possano accadere incidenti. L’incidente che ha diviso il sistema di trasmissione dell’Europa occidentale in tre parti lasciando al buio gran parte del continente il 4 novembre 2006 illustra bene la complessa interazione di fattori – contestuali, tecnici, umani, organizzativi – che possono concorrere per mettere a rischio un sistema. L’incidente fu provocato dall’interruzione di due linee ad alta tensione sul fiume Ems in Germania settentrionale per consentire il transito di una nave da crociera costruita nell’entroterra, la norvegese Pearl, nel suo viaggio verso il mare. L’evento era stato annunciato con mesi di anticipo; furono eseguiti calcoli appropriati e prese opportune misure. Ma pochi giorni prima del blackout, il cantiere navale aveva chiesto di posticipare l’orario del passaggio dell’imbarcazione dall’una del mattino alla tarda serata. I TSO limitrofi non erano stati adeguatamente informati, né erano state aggiornate le previsioni sulla congestione. In ogni caso, il carico per la fascia oraria precedente era già stato venduto e risultava pertanto legalmente impossibile operare un cambiamento in tempi brevi per cause di forza maggiore.
La natura ha giocato poi la sua parte: quando le linee vennero disattivate alle 21.39, in Germania del nord soffiavano venti forti e ne conseguì un alto flusso di carico nei Paesi Bassi. Di per sé ciò non sarebbe stato fatale. Il carico venne rilevato dalle altre linee, in particolare tra le sottostazioni di Landesbergen e Wehrendorf, rispettivamente a sud-ovest e a sud-est dell’intersezione di Ems. Ma queste sottostazioni erano gestite da due diversi TSO, e vi furono problemi di comunicazione. Non essendo a conoscenza delle diverse strategie e misure di protezione all’altro capo della linea, il flusso di carico venne calcolato erroneamente. Il gruppo responsabile di Landesbergen decise di accoppiare due barre collettrici (conduttori per la raccolta e la distribuzione di corrente), una misura di emergenza che, secondo le loro previsioni, avrebbe ridotto il carico, ma sortì l’effetto opposto.
Le barre collettrici furono collegate alle 22:10:11. Immediatamente, la linea a Wehrendorf si aprì. In meno di 18 secondi, per l’esattezza alle 22:10:28,7, una successione di scatti automatici di linea aveva diviso il sistema di trasmissione europeo in tre aree: due aree di sottofrequenza a ovest e a sud e una di sovrafrequenza nel nord-est. Mentre nel nord-est la frequenza poté essere nuovamente abbassata grazie ai fusibili dei generatori, a ovest e a sud si rese necessario un distacco di carico automatico. I consumatori furono interessati dal disservizio per circa mezz’ora. Servirono alcune ore per risincronizzare l’intera rete.
Prevenzione e contenimento
Per garantire il normale funzionamento delle reti elettriche, occorre garantire protezione contro interruzioni a cascata, cali di tensione o frequenza e perdita di sincronismo. L’approccio classico per prevenire improvvise perturbazioni si basa sul cosiddetto criterio N‑1. Secondo questo principio, quando si verifica un guasto inaspettato di un singolo elemento della rete integrata, come ad esempio un’interruzione di linea, i restanti elementi attivi devono essere in grado di adattarsi al cambiamento di flussi ed evitare distacchi a cascata o la perdita di una cospicua quantità di consumo. I TSO devono tener sempre monitorata la sicurezza N-1 per il loro sistema e parti di sistemi adiacenti; dopo un guasto ogni TSO deve ripristinare condizioni conformi al criterio N-1 quanto prima, normalmente entro 20–30 minuti.
Il mantenimento del livello di sicurezza N-1 richiede la compilazione di liste accurate di situazioni da tenere in considerazione. I rischi possono interessare un singolo componente critico o alcuni di essi, direttamente o indirettamente (a causa del guasto di un altro sistema); l’origine può essere interna o esterna. Per valutare la gravità delle evenienze e individuare strozzature ed elementi critici, i TSO si avvalgono di indagini empiriche, dati statistici e modelli di blackout. Tuttavia, basandosi principalmente sull’esperienza, tali strumenti mancano potenzialmente di capacità predittive.
Non vi è dubbio che la sicurezza N-1, se rigorosamente applicata, rappresenta una buona prassi che garantisce elevate prestazioni dei nostri sistemi di trasmissione di energia. Tuttavia, analisi approfondite ed esaustive e situazioni impreviste sperimentate in passato ci hanno insegnato che esiste una serie di scenari inediti, che comportano avarie multiple e complesse, per i quali tale sicurezza è insufficiente. Conoscere il comportamento della rete elettrica, spesso parte di un sistema di sistemi interdipendenti, è estremamente difficile; non esiste un approccio onnicomprensivo che tenga conto di tutte le problematiche interconnesse. Sono disponibili e ampiamente applicate diverse tecniche avanzate di modellizzazione basate sulla conoscenza e matematiche – ad esempio modelli di interoperabilità entrata‑uscita, teoria delle reti complesse e modelli ad agenti – ognuna con i propri punti di forza e le sue debolezze.
Calamità naturali: un cambiamento verso la resilienza
Dei circa venti maggiori blackout verificatisi in tutto il mondo negli ultimi quindici anni, quattro sono stati causati dal maltempo e uno da un terremoto/tsunami. Ciò dimostra l’importanza di tener conto delle calamità naturali nella gestione dei rischi per le reti elettriche. Ognuno di questi eventi è stato diverso in termini di perdita di alimentazione (il più estremo di 60 Giga-Watt nella regione dei Grandi Laghi/regione di NewYork City degli Stati Uniti nel 2003), di numero di persone colpite (620 milioni in India nel 2012) e di durata (da alcune ore a due settimane durante il ciclone Lothar che ha investito l’Europa nel 1999).
Essendo di grandi dimensioni, i sistemi di trasmissione sono soggetti a diversi tipi di rischi naturali. La maggior parte di essi sono di tipo complesso, potendo un evento scatenarne altri. Ad esempio, un maremoto può provocare uno tsunami, seguito da un’inondazione e da frane. Le perdite economiche e i costi assicurativi derivanti dalle calamità naturali sono ingenti e saranno destinati probabilmente ad aumentare con l’aggravarsi delle condizioni meteorologiche in ragione del cambiamento climatico.
La maggior parte delle calamità naturali sono per loro stessa natura di grande entità. Benché alcuni dei componenti più critici dei sistemi di trasmissione possano essere individuati e protetti, risulta difficile proteggerli contro tali calamità. Per questa ragione, alcuni suggeriscono un cambiamento di paradigma dalla prevenzione alla resilienza, ponendo l’accento sull’adeguamento agli shock e le modalità di recupero, piuttosto che concentrarsi su come evitarli.
Reti elettriche integrate affidabili sono essenziali per singoli Stati e per le regioni. Guasti a livello locale possono assumere dimensioni globali. È pertanto di fondamentale importanza sensibilizzare gli Stati su potenziali avarie, in particolare quelle causate da calamità naturali, condividere la conoscenza e facilitare il dialogo. In tale contesto, organizzazioni come l’OSCE sono chiamate a svolgere un ruolo decisivo.
Wolfgang Kröger è professore emerito di tecnologia della sicurezza presso l’ETH di Zurigo e ex Direttore esecutivo dell’ETH Risk Centre.