Reti e servizi di trasmissione, distribuzione e distribuzione di energia elettrica resilienti ai cambiamenti climatici

Il collasso dei cavi di alimentazione provoca una perdita temporanea di energia per gli utenti e comporta costi di riparazione aggiuntivi per i fornitori di energia. Le tempeste possono danneggiare le linee elettriche e quindi causare interruzioni di corrente e black-out, attraverso un impatto diretto o indiretto (ad esempio la caduta di alberi). Inoltre, le tempeste possono aumentare il tasso di fulmini, un'ulteriore causa di interruzioni di corrente attraverso danni alle linee elettriche. La caduta degli alberi, causata da diversi fattori tra cui forti venti, accumulo di acqua nel terreno (che si traduce in un più facile sradicamento), accumulo di neve o illuminazione, può avere lo stesso risultato. Tuttavia, la misura in cui le precipitazioni e le tempeste di vento causano la caduta degli alberi dipende dall'età e dalla circonferenza degli alberi in questione. L'accumulo e il successivo accrescimento di neve sulle linee di trasmissione e distribuzione, in particolare in presenza di elevata umidità e temperature intorno a 0 °C (la cosiddetta "neve bagnata"), possono causare la rottura delle linee elettriche e il crollo delle torri di trasmissione di potenza ad alta tensione.

Il cablaggio sotterraneo consente di adattare i sistemi di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica ai cambiamenti climatici poiché protegge una parte fondamentale dell'infrastruttura dagli impatti dei cambiamenti climatici di cui sopra. L'installazione di cablaggi sotterranei prevede tre tecniche predominanti: collocare il cablaggio in abbeveratoi rinforzati con cemento, collocare i cavi in tunnel sotterranei o seppellire direttamente i cavi.

Posizionando i cavi nel sottosuolo, è possibile evitare la maggior parte delle condizioni meteorologiche avverse alle quali le infrastrutture di trasmissione tradizionali sono esposte in superficie. Questo si riferisce in gran parte a precipitazioni e tempeste di vento. Il cablaggio sotterraneo può alleviare la necessità di ulteriori e più frequenti investimenti nella manutenzione e riparazione delle infrastrutture di trasmissione. I vantaggi attesi includono un approvvigionamento energetico più sicuro con meno casi di interruzioni di corrente legate alle condizioni meteorologiche, ottenendo al contempo risparmi sui costi a lungo termine grazie alla riduzione della manutenzione e delle riparazioni.

Le tempeste non sono l'unico pericolo legato al clima che colpisce le reti elettriche. Temperature ambientali molto elevate, come quelle che si verificano durante le ondate di calore, minacciano la trasmissione e la distribuzione, in quanto possono causare l'abbassamento delle linee; il loro sgombero ridotto dalla terra può essere pericoloso per il pubblico in generale. Il cedimento può anche provocare il contatto con alberi e altre strutture, che potrebbero causare folgorazione o incendi. La maggior parte dei paesi europei dispone di regolamenti per mantenere una distanza minima tra le linee elettriche e il suolo o le strutture, al fine di garantire che siano evitati potenziali casi di folgorazione o incendi. Temperature ambientali più elevate richiedono che la corrente elettrica che passa attraverso le linee elettriche aeree debba essere ridotta per evitare il surriscaldamento delle apparecchiature. Le linee elettriche più calde possono anche comportare una diminuzione dell'efficienza (de-rating). Questi impatti aumentano i rischi di incidenti, interruzioni di corrente e guasti a cascata della rete, con implicazioni negative per la redditività delle utility coinvolte e per il benessere della popolazione colpita. Questi impatti sono aggravati dall'aumento della domanda di energia elettrica, anche a causa dell'aumento dell'uso dell'aria condizionata. Le opzioni di adattamento per far fronte a tali impatti comprendono:

• Installazione di poli di linee elettriche superiori,
• Installazione di conduttori con limiti di funzionamento più caldi o implementazione dell'uso di conduttori "low-sag".
• Aumentare la temperatura minima di progetto delle nuove linee aeree è un'opzione particolarmente conveniente, il cui raggiungimento in genere aumenterebbe l'altezza di progetto dei pali di legno di 0,5 metri.
• Sviluppare uno strumento software per ottimizzare le valutazioni delle linee aeree.

A parte l'ottimizzazione del software, tutte le opzioni di questa classe prevedono l'installazione o la modifica di infrastrutture a terra, in aree urbane, industriali, rurali e naturali. L'interazione delle parti interessate a livello locale (con i proprietari dei terreni, le autorità locali e il pubblico in generale) lungo i percorsi delle reti installate/aggiornate è pertanto fondamentale per garantire l'accettabilità sociale e la realizzazione tempestiva ed efficace sotto il profilo dei costi delle infrastrutture. Per i cavi sotterranei, il coordinamento con altre entità di cablaggio può ridurre i costi economici e ridurre al minimo il fastidio per le comunità locali limitando al minimo la durata delle attività di scavo.

Il cablaggio sotterraneo dipende dalla disponibilità della tecnologia e del know-how corretti per quanto riguarda l'installazione, il monitoraggio e la gestione. La cooperazione con altre entità di cablaggio sotterraneo, come le società di telecomunicazioni, aiuta a ridurre al minimo i disturbi alle popolazioni attraverso attività di scavo e la condivisione dei costi delle operazioni di scavo riduce i costi sostenuti da ciascuna entità. Sebbene i cavi sotterranei possano essere esposti a nuovi rischi climatici, in particolare a causa di inondazioni e movimenti del suolo legati a frane, tali rischi rimangono finora ipotetici. Gli scavi dovuti ad altre attività di costruzione o manutenzione rappresentano un rischio fondamentale di danni ai cavi sotterranei installati. Questo rischio può essere ridotto applicando la digitalizzazione e la tecnologia GIS ai cavi sotterranei, per informare gli escavatori sulla posizione dei cavi sotterranei.

Una grande differenza tra cavi sotterranei e cavi aerei è il modo in cui viene fornito l'isolamento elettrico. I cavi aerei sono isolati dall'aria che li circonda, la soluzione di isolamento più economica e semplice disponibile. I cavi sotterranei devono essere isolati per evitare perdite di potenza e rischi di elettrocuzione attraverso il contatto diretto con il terreno. La resistenza elettrica generata dall'isolamento genera calore e quindi perdite di trasmissione. Ciò richiede cavi più grandi e/o multipli per compensare le perdite e un sistema di raffreddamento (ventilazione forzata, acqua o gas) per dissipare il calore. I cavi sotterranei devono essere interrati in trincee, protetti da danni accidentali e accessibili con facilità quando è necessaria la manutenzione. Nel complesso, ciò si traduce in un maggiore utilizzo del terreno da parte di cavi sotterranei rispetto ai cavi aerei durante l'installazione, anche se una volta interrati, l'uso del suolo e gli impatti visivi che generano sono notevolmente inferiori.

La manutenzione dei cavi sotterranei è molto più complessa e costosa di quella dei cavi aerei: "se si verifica un guasto su un cavo sotterraneo a 400 kV, esso è in media fuori servizio per un periodo 25 volte superiore a quello delle linee aeree a 400 kV. Ciò è dovuto principalmente al lungo tempo impiegato per localizzare, scavare e intraprendere riparazioni tecnicamente necessarie. Anche la manutenzione e le riparazioni costano molto di più" (National Grid, 2015).

Infine, vi sono limitazioni tecniche all'uso del suolo in prossimità di cavi specifici per le linee sotterranee. Oltre alla necessità di riservare alcuni terreni per garantire l'accesso alle linee a fini di manutenzione, ci sono anche restrizioni alla piantumazione di alberi e siepi sui cavi o entro 3 m dalla fossa dei cavi per evitare invasioni da parte della vegetazione. Le radici degli alberi possono penetrare nel cavo di riempimento che a sua volta può influenzare la valutazione del cavo o addirittura causare danni fisici al cavo. Allo stesso modo per le linee aeree, la crescita degli alberi è scoraggiata e controllata sotto i conduttori della linea aerea o entro distanze in cui gli alberi potrebbero cadere sulle linee. Ci saranno anche restrizioni di altezza per macchinari o veicoli particolarmente alti, come attrezzature agricole, vicino alle linee aeree per motivi di sicurezza. Nelle aree urbane, la superficie terrestre utilizzata per i cavi interrati supera di gran lunga quella richiesta per una linea aerea di livello equivalente. I cavi sono stati storicamente instradati sotto le strade per evitare di sottrarre terreni da usi alternativi; tuttavia, l'interruzione del traffico durante le indagini sui guasti e le riparazioni può essere significativa. Nei casi in cui i cavi sono installati mediante interramento diretto nelle zone rurali, vi sono restrizioni all'uso di attrezzature agricole di coltivazione profonda per evitare il rischio di danni. La sepoltura di cavi ad alta tensione è anche più complicata della posa di tubi per gas e acqua. Inoltre, ogni 500-1 000 m devono essere costruite baie interrate congiunte, rivestite in calcestruzzo e più larghe delle trincee stesse.

Per l'impermeabilizzazione dei cavi aerei, una conoscenza dettagliata delle future condizioni climatiche locali ad alta risoluzione è fondamentale per pianificare gli interventi necessari. Un chiaro vantaggio di ottenere gli scenari più accurati per i cavi aerei è legato alla comprensione di quanto possano continuare a essere un'opzione valida. Se si prevede che eventi estremi influiranno in modo significativo sulle aree in cui sono installate o pianificate reti via cavo aeree, si potrà eventualmente prendere in considerazione il passaggio al cablaggio sotterraneo. Anche in circostanze meno estreme, identificare le rotte che saranno le meno esposte in futuro alle suddette minacce al cablaggio aereo può aiutare a pianificare il futuro sviluppo della rete.

Oltre agli impatti climatici diretti futuri, sia per le reti sotterranee che per quelle aeree, è importante ottenere informazioni sulle future condizioni di mercato in cui opereranno i gestori dei sistemi di trasmissione (TSO) e i gestori dei sistemi di distribuzione (DSO).

In generale, il funzionamento dei cavi sotterranei costa all'incirca lo stesso di quello dei cavi aerei (National Grid, 2015). Tuttavia, i costi di capitale relativi alla costruzione di linee sotterranee sono molto più elevati di quelli per i cavi aerei. Alonso e Greenwell (2013) riferiscono costi di costruzione da 4 a 14 volte superiori per i cavi sotterranei sulla base di uno studio del 2011 della Commissione di servizio pubblico del Wisconsin. I costi effettivi dipendono tuttavia dalle caratteristiche geologiche e geografiche del percorso dei cavi, dal metodo di installazione (l'installazione del tunnel costa più del sotterramento diretto), dalla capacità di trasmissione della linea e dalle opzioni scelte per isolare e raffreddare i cavi sotterranei.

Alzare l'altezza del palo è relativamente poco costoso: Un caso di studio sulle linee aeree nel Regno Unito riporta che i costi per l'acquisto di pali in legno alti 0,5 metri dipendono dall'altezza del palo originale, ma possono essere fino a circa £ 10 (€ 11) per palo.

Per i cavi aerei, norme nazionali specifiche in ciascun paese dell'UE regolano l'altezza massima dei pali e lo spazio minimo da terra.

Costruire linee elettriche aeree o sotterranee è subordinato alle normative nazionali di autorizzazione, come qualsiasi altra grande infrastruttura. La procedura di autorizzazione deve tenere conto di una serie di inconvenienti ambientali specifici. Nelle zone rurali devono essere valutati i disturbi della flora e della fauna, l'uso del suolo e i siti archeologici. A questo proposito, le linee aeree sono normalmente meno dirompenti dei cavi sotterranei e causano meno disturbi. Tuttavia, in casi specifici i cavi sotterranei possono avere un impatto positivo significativo per alcune specie in via di estinzione; ad esempio possono ridurre la mortalità dovuta a collisioni tra linee elettriche nelle popolazioni di uccelli migranti o residenti (Bernardino et al., 2018). In entrambi gli ambienti urbani e rurali, l'interruzione del terreno è maggiore quando si posano cavi sotterranei rispetto all'erezione di torri di linea aerea. Il volume di terreno scavato per un cavo sotterraneo, dove sono installati due cavi per fase, è circa 14 volte superiore rispetto a un percorso equivalente della linea aerea. La vegetazione deve essere sgomberata lungo e a lato delle trincee per consentire la costruzione e l'accesso associato ai veicoli.

I tempi di realizzazione variano a seconda delle condizioni geografiche e geologiche locali e del metodo di installazione utilizzato. Tuttavia, è considerevolmente più lungo per i cavi sotterranei rispetto ai cavi aerei.

I cavi, sia aerei che sotterranei, sono di solito progettati per essere in funzione per 60 anni. Uno studio di caso del Regno Unito riferisce che la durata prevista dei pali di legno che supportano le linee aeree è comparabile: 40-60 anni.