Produzione e distribuzione dell'energia elettrica

 

Il cammino compiuto dalla scienza e dalla tecnologia per la comprensione e l'utilizzo dei fenomeni elettrici ebbe il suo culmine, negli anni '80 del secolo XIX, nella realizzazione dei primi sistemi di produzione e distribuzione dell'energia elettrica.

Furono senz'altro in molti a contribuire, in varie maniere, al raggiungimento di questo obbiettivo, ma su tutti spicca la figura di quel geniale, eclettico, inventore-imprenditore che fu Thomas Edison, per opera del quale fra il 1882 ed il 1883 entrarono in servizio le prime centrali elettriche al mondo e le prime reti di illuminazione con lampade ad incandescenza. Fu merito di Edison, e dei validissimi collaboratori di cui si era circondato nel suo laboratorio sperimentale di Menlo Park (non molto lontano da New York), l'aver saputo concepire e realizzare un intero sistema, costituito da macchine a vapore, dinamo, rete di distribuzione della corrente, lampade ad incandescenza e sistema di regolazione. Questo sistema fu in grado di funzionare e di dimostrarsi concorrenziale non solo tecnicamente, ma anche economicamente, nei confronti della tecnologia dell'illuminazione allora dominante, cioè quella del gas, e benché la sua vita sia stata abbastanza effimera, la risposta che esso forniva al problema della costruzione di sistemi centralizzati di produzione dell'energia elettrica, al momento della sua comparsa, fu determinante.

La Edison Illuminating Company costruì la sua centrale di Pearl Street, a New York, ispirandosi allo stesso concetto di impianto centrale di distribuzione che era stato introdotto dalla tecnologia del gas illuminante, alla quale voleva fare concorrenza.
La collocazione della centrale, che entrò in funzione nel settembre 1882, non fu scelta a caso: Pearl Street si trovava nel distretto finanziario di New York, vicino a Wall Street, nella zona densamente urbanizzata di Manhattan, piena di esercizi commerciali, uffici e ristoranti dai quali Edison attendeva un grosso interesse nei confronti dell'illuminazione elettrica, anche come richiamo per la loro clientela. Per poter costruire, Edison si guadagnò abilmente l'appoggio delle autorità locali della città, strappando tutti i permessi necessari per l'impianto e la posa delle linee. La centrale fu calcolata[1] per alimentare circa 10.000 lampade; esse funzionavano in corrente continua ed erano collegate in parallelo tramite un sistema di distribuzione a tre fili. Le dinamo furono appositamente realizzate allo scopo di ottenere caratteristiche di tensione e resistenza interna adatte ad un tale sistema[2]. I cavi di distribuzione furono interrati in cunicoli sotto i marciapiedi ed Edison ebbe il suo bel da fare a risolvere problemi di isolamento e di giunzione dei cavi sotterranei.

Nonostante numerose difficoltà iniziali, sia tecniche che finanziarie, l'impresa di Edison ebbe successo ed il suo sistema di illuminazione fu rapidamente riproposto all'estero. Edison aveva già avuto modo di impressionare gli Europei, con le sue realizzazioni, alla Mostra Internazionale dell'Elettricità di Parigi del 1881 e perciò altre iniziative poterono partire quasi in contemporanea alla centrale di New York. Non tutte ebbero ugual successo. Per esempio la centrale londinese di Holburn Viaduct, entrata in funzione ancor prima di quella di Pearl Street nell'aprile 1882, fu abbandonata dopo pochi anni, mentre la centrale di Berlino della Friedrichstrasse, attivata nel settembre 1884 per alimentare un blocco di edifici "di lusso" del centro cittadino, ebbe un buon successo; ancora più fortuna ebbe la centrale milanese di Santa Radegonda, entrata in servizio nel giugno 1883.

E' interessante osservare come le vicende di Edison a Londra e Berlino evidenzino il diverso atteggiamento che le autorità locali assunsero fin da principio nei confronti dell'energia elettrica. A Londra, a causa del notevole fermento e delle speculazioni che stavano accompagnando la nascita di tutta l'industria elettrica, e di una propensione alla socializzazione dei servizi di pubblica utilità di cui era portatore soprattutto il ministro del commercio Joseph Chamberlain, il governo centrale ritenne di dover intervenire ad una regolamentazione, emettendo l'Electric Lighting Act dell'aprile 1882, il quale fissò un quadro regolatore piuttosto pesante (poi attenuato nel 1886), che non favorì affatto il nascere di un sistema di produzione e distribuzione dell'energia elettrica.

A Berlino, invece, Edison riuscì a raggiungere un buon accordo con la finanza locale ed attraverso il suo appoggio con le più tolleranti autorità cittadine, che non si posero eccessivi problemi di regolamentazione. Così, grazie alle esperienze fatte con il sistema Edison ed alle occasioni che si aprirono numerose in un clima politico favorevole, l'industria tedesca poté rendersi rapidamente indipendente dalla tecnologia d'oltre atlantico, tanto che nel 1887 la German Edison Company fu completamente riorganizzata, facendo sparire lo stesso nome di Edison dalla sua sigla (assunse infatti il nome di Allgemeine Elektrizitats Gesellschaft, AEG).

I sistemi Edison avevano comunque un grosso handicap: l'area che poteva essere servita da una centrale era piuttosto limitata. Usando corrente continua e delle dinamo, la tensione di distribuzione non poteva infatti essere molto elevata; di conseguenza aumentando la distanza dalla centrale le perdite di trasmissione diventavano assai elevate e non era perciò conveniente estendere la rete di distribuzione. Il sistema Edison era adatto a servire aree urbane densamente popolate, ma non altre situazioni. Inoltre i motori a corrente continua (salvo il caso della trazione) non erano i più adatti al mondo industriale, che avrebbe invece costituito un mercato potenzialmente vastissimo.

Fu solo attraverso una azione di ricerca e sviluppo che il fronte di espansione dei sistemi elettrici poté comunque avanzare e non venire frenato da alcuni aspetti tecnici rimasti indietro rispetto alle potenzialità del sistema. L'innovazione che permise di superare questi limiti fu l'utilizzo di correnti alternate trifase invece di quelli a corrente continua[3].
I sistemi in corrente alternata cominciarono a fare una seria concorrenza al sistema Edison verso la fine degli anni '80 del XIX secolo, quando iniziarono ad essere disponibili i motori asincroni trifase. Il diffondersi di tali motori nell'industria contribuì a rendere più uniforme il diagramma di carico giornaliero delle reti, che era un elemento essenziale per aumentare il numero di ore di utilizzo degli impianti, e difficile da ottenere se i carichi continuavano ad essere costituiti dalla sola trazione e dalla illuminazione notturna.

Di pari passo con la introduzione dei sistemi in corrente alternata trifase si svilupparono le tecnologie che resero possibile il trasporto di energia elettrica a centinaia di chilometri di distanza. L'evento che ne dimostrò la pratica fattibilità fu l'esposizione che si tenne a Francoforte nell'agosto del 1891, in occasione della quale fu realizzata una linea di trasmissione trifase a 25.000 Volt, che partiva dall'impianto idroelettrico costruito per un cementificio a Lauffen, sul fiume Neckar e con un percorso di ben 175 Km giungeva a Francoforte stessa. Questo impianto dimostrativo fu completato con il contributo tecnico di varie società e fu finanziato dalle autorità imperiali e locali. Esso dimostrò che il trasporto a grande distanza poteva avvenire mantenendo le perdite in limiti accettabili (l'efficienza misurata dalla turbina al trasformatore di arrivo in bassa tensione fu del 74,5 %) e che i problemi dell'utilizzo di alte tensioni erano stati risolti.

Gli ingegneri di tutto il mondo videro nella esposizione di Francoforte la giustificazione per altri analoghi tentativi e la possibilità di rendere economico lo sfruttamento di enormi risorse idrauliche, disponibili spesso assai lontano dai grandi centri urbani. Ne fu un esempio negli USA la prima centrale realizzata per l'utilizzo delle cascate del Niagara, entrata in servizio a metà del 1895, che inviava energia alla città di Buffalo, distante 32 km.

Nel 1893 la società americana Westinghouse presentò alla fiera di Chicago il suo così detto "sistema universale".

Esso utilizzava, nelle centrali elettriche, generatori trifase e trasformatori elevatori di tensione; l'energia elettrica veniva trasmessa ad alta tensione (10.000 Volt) fino alle centrali di distribuzione cittadina, dove la tensione veniva ridotta a 110 volt monofase per gli usi domestici, od a tensioni più elevate per usi industriali. Per le applicazioni che necessitavano di corrente continua, come la trazione elettrica, veniva utilizzata una speciale macchina, il convertitore rotante, in grado di convertire la corrente alternata in continua (era stata inventata da C. Bradley nel 1888).
Il sistema universale, che nelle sue linee essenziali è tuttora in uso, si impose rapidamente all'attenzione delle aziende elettriche in quanto la sua versatilità consentiva di aumentare notevolmente l'utilizzo degli impianti e di realizzare economie di scala costruendo centrali di grandi dimensioni.

Il conflitto fra i fautori della corrente continua ed alternata, che fu inizialmente piuttosto aspro, pieno di polemiche[4] e colpi di scena (gli storici della tecnologia lo ricordano come la "battaglia dei sistemi"), si concluse un po' per volta con un progressiva affermazione della corrente alternata. Negli USA la iniziale ostilità di Edison ai sistemi in corrente alternata venne meno nel 1892 quando la Edison General Electric si fuse con la Thomson-Houston dando origine alla General Electric ed anche in Germania ci fu un accordo fra Siemens e AEG per l'introduzione della nuova tecnologia.
Per lunghi anni, comunque, sia in Europa che negli USA rimasero in servizio sistemi di distribuzione in corrente continua e dovette passare molto tempo perché avvenisse una unificazione delle tensioni e delle frequenze[5].