Ultima puntata del nostro esame delle reti elettriche di distribuzione in Bassa Tensione alla ricerca dei possibili margini per una adozione di massa di auto elettriche, pompe di calore, piastre a induzione, ecc., senza avviare piani di potenziamento o ristrutturazione delle stesse. Nei precedenti articoli abbiamo visto alcuni grafici su base oraria dell'andamento dei consumi sia a livello nazionale che in ambito locale per farci un'idea di quello che succede, grazie soprattutto ad una Tesi di Laurea elaborata presso l'Università di Padova. Con questo ultimo articolo entreremo ancora più nel dettaglio per tirare le somme e formulare delle ipotesi più realistiche possibili.

Forniture di BT stradali

Qualche spunto dai lettori

Prima di partire vorrei riportare un paio di segnalazioni che mi sono gentilmente arrivate nelle puntate precedenti dai lettori di Electroyou. In particolare, MSilvano, con esperienza proprio in una società di distribuzione, mi ha fatto notare che in Italia c'è il turismo, un elemento che incide in modo importante nei consumi elettrici locali.
Nelle città turistiche infatti, i consumi della rete BT hanno comportamenti completamente diversi rispetto alle città più tradizionali.

Per fare un esempio, una linea di distribuzione di Cesenatico, città "balneare" della riviera romagnola, in luglio e agosto potrebbe avere dei consumi molto più rilevanti rispetto ad una linea simile del centro di Milano, mentre negli altri mesi la situazione potrebbe completamente rovesciarsi.
Cosa dire poi delle località turistiche invernali come Cortina, Madonna di Campiglio, Livigno o Sestriere?
Qui si vedranno dei picchi di consumi prevalentemente nei weekend invernali, mentre d'estate vista la mancanza dei condizionatori, ci sarà un alleggerimento rispetto ad altre località italiane.
La situazione italiana dei consumi elettrici in Bassa Tensione è quindi molto variegata non solo per le caratteristiche estremamente variabili del territorio, ma anche per la vocazione "vacanziera" di alcuni luoghi rispetto ad altri.

Un altro elemento che mi è stato fatto notare sulla caratterizzazione dei consumi energetici nelle linee di Bassa Tensione, è che tra le 17 e le 23 pesano anche gli esercizio commerciali come ad esempio la ristorazione e l'illuminazione dei negozi, osservazione corretta che condivido anche se purtroppo non ci sono elementi per quantificarle.

Due definizioni

Ripassiamo rapidamente cose si intende per coefficiente di utilizzazione e per coefficiente di contemporaneità nel mondo degli Impianti Elettrici.
Il coefficiente di utilizzazione è un numero che si ottiene dal rapporto tra la potenza nominale degli utilizzatori, detta anche potenza di targa, e la potenza realmente assorbita; questo coefficiente nasce dal fatto che raramente un qualunque dispositivo viene usato alla potenza nominale, sia perché i componenti che lo compongono sono è sovradimensionati, sia per l'uso vero e proprio che viene fatto dagli utenti.

Esempio: l'Ascensore; è un mezzo di trasporto che nella maggior parte delle sue corse viaggia vuoto o con un numero di passeggeri inferiore alla sua portata. Per questo tipo di utenza è realistico considerare un coefficiente di utilizzazione pari a 0,5 (significa che consuma il 50% della potenza nominale).

Il coefficiente di contemporaneità è invece un numero che nasce per tenere conto del funzionamento non contemporaneo di più utenze elettriche, fattore che viene influenzato ad esempio dagli orari, dalle stagioni, o delle modalità d'uso delle stesse.

Esempio: un Albergo dotato di 3 ascensori; in linea generale accadrà che ne funziona uno o al massimo 2, mentre sarà molto raro il caso che funzionino tutti contemporaneamente; è quindi lecito assumere che il coefficiente di contemporaneità sia paria 0,66 (66%).

K nelle reti BT

A differenza di qualunque impianto elettrico, nelle reti di distribuzione in Bassa Tensione non è possibile conoscere il tipo di carichi e come sono utilizzati, pertanto nello studio è stato creato un unico coefficiente di contemporaneità e di utilizzazione che li riassume, mettendo in rapporto la potenza contrattuale (detta anche impegnata) con i consumi reali misurati in un determinato istante.

Nell'esempio precedente degli ascensori, sarebbe pari al prodotto dei due, quindi 0,5 x 0,66 = 0,33.

Conoscere "K" è fondamentale perché, in linea generale, più questo numero è basso e più margine abbiamo per aggiungere elementi di consumo presso gli utenti.
Ricordo comunque che questo ragionamento è di larga massima perché non tiene conto delle dimensioni dei cavi che installano le società di distribuzione, limitati sia per questioni economiche che per limiti fisici dello spazio di installazione.

Dati dai Distributori

Come ho accennato negli articoli precedenti, per fare una analisi più approfondita bisognerebbe utilizzare i dati forniti dalle imprese di distribuzione ma si tratta di informazioni disperse su moltissime fonti oppure nemmeno disponibili al pubblico, pertanto non sarebbe possibile farne un esame sistematico.
Proverò comunque a fare una "stima di Fermi" usando alcuni dati che ho trovato in rete:

Dati ARERA, aggiornati al 31.12.2019:

• Numero utenti "elettrici" in totale Italia: 36,8 Milioni
• Numero di utenze domestiche in Italia: 29,5 Milioni
• Numero di utenze non domestiche: Dato scartato perché comprende BT+MT+AT

Calcoli sui dati ARERA

• Numero di utenti BT totale in Italia = 34 Milioni (29,5M domestici pesavano il 87%)
• Quota utenti Utenti BT sul totale = 92% (rapporto 34M/36,8M)

Dal bilancio E-Distribuzione aggiornato al 31.12.2019:

• Numero di clienti (AT+MT+BT): 31,5 Milioni
• Numero totale di Cabine BT : 446.410
• Potenza Totale Cabine Secondarie: 84,2 GVA (Gigavoltampere)

Calcoli

• Numero di clienti BT (92% di 31,5M) = 29M
• Numero medio di utenti per cabina MT/BT (29M/446410)= 65
• Potenza di trasformazione media per utente (84,2GVA/29M)= 2,9 kVA/utente

Quest'ultimo dato è molto interessante perché dimostra che il principale distributore a grandi linee ha previsto una potenza di trasformazione simile alla potenza del tipico contratto domestico.
Considerando infatti un fattore di potenza nelle utenze domestiche di 0,95 , significa che le cabine sono dimensionate per fornire circa 2750W per utente, un dato che se fosse confermato sarebbe a dir poco enorme. Probabilmente questo numero sconta la presenza di un grande numero di punti di trasformazione su palo in zone rurali che sono sotto-utilizzati rispetto alla loro potenza.

Trafo_Cabina_ENEL MT/BT

Facciamo il punto

Riassumiamo quindi brevemente quanto abbiamo visto finora in tutti gli articoli.
Prima di tutto abbiamo visto che i carichi "appesi" alle linee di distribuzione in Bassa Tensione sono costituiti in modo prevalente dagli utenti residenziali, che in genere pesano su ciascuna linea per circa il 87% dal punto di vista numerico e per oltre il 60% della potenza impegnata (vedere articolo Parte 2°).
E' quindi evidente che una parte del leone tra i tanti carichi la fanno lavatrici, asciugatrici, lavastoviglie, forni, piastre ad induzione ed altri elettrodomestici "energivori" in ambito domestico.

Per quanto riguarda la potenza contrattuale, dai dati rilevati durante in una campagna di misure eseguita nella rete di distribuzione di Bassa Tensione della Città di Verona (circa 257.000 abitanti) nel periodo 2018-2019, è emerso che la potenza media degli degli utenti allacciati alle linee BT è di circa 4kW.

Il fiume Adige che attraversa Verona

Infine, utilizzando due diverse metodologie, nei precedenti articoli abbiamo trovato che gli utenti in Bassa Tensione hanno due "possibili" coefficienti di contemporaneità ed utilizzazione:

• 0,2 (20%) - desunto da alcune analisi su scala nazionale
• 0,1 (10%) - ricavato da misure reali

Per quanto riguarda il primo valore, è stato desunto dal sottoscritto osservando dati a livello nazionale come ad esempio l'andamento orario dei consumi nelle giornate di picco o sulla base dell'incidenza del settore domestico sui consumi annui totali; è quindi un dato che ho formulato solo per ottenere un ordine di grandezza, ma privo di riscontri reali.

Per quanto riguarda il secondo valore, si tratta di un numero desunto da campagne di misura eseguite dalla società distributrice della città di Verona, riportata nella Tesi di Laurea citata a fine articolo, e riflette il comportamento medio degli utenti BT, in particolare durante le ore serali, cioè nel momento di massimo consumo.

Iniziamo ad escludere

Abbiamo ora moltissime informazioni quindi per fare un po' d'ordine potremmo iniziare con l'escludere ciò che non costituisce un problema (usiamo cioè il metodo del rasoio di Occam).
In particolare mi sento di escludere che i trasformatori MT/BT possano costituire, a livello generale, dei grossi ostacoli all'aumento di potenza degli utenti BT. Abbiamo infatti visto che per quanto riguarda la potenza installata nelle cabine di trasformazione MT/BT, la principale impresa italiana, E-Distribuzione, mette a disposizione in media 2,9 kVA per ciascun utente.
Questo valore può sembrare basso se confrontato con la potenza contrattuale media riscontrata tra gli utenti BT, che è pari a 4kW, ma dato che il nostro coefficiente K tipicamente assume il valore di 0,1, significa mediamente che gli utenti prelevano solo 400W, nonostante i 2750W/2900 VA disponibili nel trasformatore in Cabina.
E' comunque vero, come riportato nella Tesi di Laurea di Gianluca Pavoni che ho usato per i presenti articoli, che in casi estremi si sono trovate linee BT con K=0,25 (vedere Tabella 4.9 - "Caratteristiche salienti delle linee per un appropriato confronto tra il modello d’utenza e i coefficienti complessivi di utilizzazione e contemporaneità orari"), ma anche in questo caso si avrebbe un valore di potenza lontano dalla potenza disponibile nel trasformatore:

4x0,25 = 1000W < 2750W

Questo significa che la potenza di trasformazione MT/BT proiettata su scala nazionale potrebbe arrivare ad assicurare un coefficiente di contemporaneità ed utilizzo pari a:

K = 2750 / 4000 = 0,68

Questo valore è decisamente enorme, cioè largamente sovradimensionato rispetto alle reali necessità della rete BT, ma anche se (a causa di errori del sottoscritto!) dovesse essere la metà, cioè 0,34, sarebbe comunque molto maggiore dei valori di K più svantaggiosi che abbiamo appena visto qui sopra (0,25).
Da questi elementi si possono quindi escludere che i trasformatori MT/BT delle cabine secondarie possano costituire in generale un collo di bottiglia.

Prime Osservazioni

Bene, ora possiamo entrare nel dettaglio.
Come abbiamo visto finora dai dati, una cosa che caratterizza le linee di distribuzione BT è che praticamente ogni giorno ci sia un picco di consumi attorno alle 20, picco che potrebbe essere dovuto prevalentemente alle utenze domestiche. In questo orario tra l'altro generalmente non c'è il contributo degli impianti fotovoltaici, pertanto è consumo reale delle utenze.
Questo "picco" si discosta del 60-70% rispetto al consumo delle ore diurne, pertanto ha delle dimensioni importanti; per contro, nelle ore lavorative della giornata, generalmente dalle 7:00 alle 17:00, si riscontra un consumo piuttosto costante che costituisce la media oraria del giorno.

Figura 2.3 - Diagramma di carico del feriale-tipo.

Ora, escludendo problematiche locali, da questo grafico possiamo desumere che le linee di bassa tensione devono sicuramente essere dimensionate per gestire il picco serale, perché si tratta di una condizione di funzionamento ordinaria; le condizioni straordinarie infatti sono altre, come ad esempio accade durante la stagione estiva con il condizionamento.
Se non fosse così, i cavi avrebbero subito un invecchiamento precoce e l'impresa distributrice sarebbe dovuta intervenire sostituendo i cavi esistenti con cavi di maggiori dimensioni.

Margini Visibili

A grandi linee possiamo quindi asserire che nella situazione "tipica/media" le linee di distribuzione BT:

a) nell'orario circa dalle 7:00 alle 17:00 hanno la possibilità di aggiungere carico di almeno il 60%

Figura 2.3 - Diagramma di carico del feriale-tipo_

b) nell'orario circa dalle 00:00 alle 7:00 hanno la possibilità di aggiungere carico oltre il 100%

Figura 2.3 - Diagramma di carico del feriale-tipo_

Facciamo un Esempio

Mettiamo ora in pratica tutti i dati visti.
Ipotizziamo di avere una linea di Bassa Tensione con 100 utenti allacciati: dato che la potenza contrattuale media degli utenti BT è pari a 4kW, la potenza contrattuale totale sarà di 400 kW.
Dato inoltre che nella giornata "tipo" il coefficiente K è pari a 0,1, il consumo massimo della linea sarà 400x0,1=40kW; vediamo quindi i consumi nei vari orari:

• Nella fascia oraria giornaliera (7-17), circa 25 kW, pari a 250W/utente
• Nell'orario serale di punta (20-21), circa 40 kW, pari a 400W/utente
• Nell'orario notturno (orario 00-7), circa 15kW, pari a 150W/utente

Nota: Una linea reale con dati simili a questi è stata vista nella 3° Puntata (linea "Verona-Gavagnin", con 117 utenti).
E' quindi evidente che negli orari diversi dal serale in questa linea si potrebbe aggiungere un carico di 20/25 kW senza alterare minimamente le condizioni di funzionamento ordinario.
Questo carico, che andrebbe ad aggiungersi ai 150/250W già presenti su ciascuna utenza, potrebbe essere costituito da apparecchi con un consumo continuativo, come ad esempio una pompa di calore oppure un apparecchio per la ricarica di un'auto elettrica, nelle seguenti possibili combinazioni:

• 10 Utenti con un carico continuativo di 2,5 kW ciascuno
• 5 Utenti con un carico continuativo di 5 kW ciascuno
• 6 Utenti con un carico continuativo di 4 kW ciascuno (=6% degli utenti della linea)

Questi sono i valori che ci permette il sistema: non sono certamente numeri significativi, ma potrebbero comunque essere importanti per determinate applicazioni. Vediamo infine le eventuali controindicazioni che potrebbe avere l'implementazione di questi carichi.

Punti Critici/1

Il primo punto critico che mi sento di evidenziare riguarda le linee che servono un numero di utenti piuttosto modesto, cioè inferiore a 30/40 utenti allacciati.
Per chiarire il concetto riporto un grafico che riepiloga il fattore di contemporaneità ed utilizzo delle linee BT che è stato costruito sulla base della campagna di misure strumentali eseguita sulla città di Verona. Questo grafico è costruito con i valori massimi di potenza raggiunta in ciascuna linea, valori messi in rapporto con il totale delle potenze contrattuali di tutti gli utenti allacciati, quindi rappresenta i casi estremi e NON la media.
Come si può vedere, questo coefficiente cambia (nell'asse X) a seconda del numero di utenti allacciati ad una linea e peggiora per le linee con un basso numero di utenti, mentre si stabilizza attorno a 0,2 per le linee con oltre 40 utenti allacciati.

Andamento del fattore K (*)

(*) Nell'asse orizzontale è riportato il numero di utenti allacciati ad una linea

Si può notare come, per le linee con pochi utenti allacciati, il fattore "K" di utilizzazione e di contemporaneità, può passare da circa 0,2 a valori di 0,5 - 0,7. In queste specifiche linee di distribuzione in Bassa Tensione, l'aggiunta di ulteriori carichi e/o l'aumento generalizzato della potenza contrattuale, potrebbe essere a rischio se i cavi installati sono stati dimensionati considerandole come fossero posate in zone ad alta concentrazione di utenti, cioè dove il coefficiente di utilizzazione e contemporaneità è molto più basso. Se invece i cavi, ad esempio grazie agli standard dell'impresa distributrice, sono di sezioni più che sufficienti, il problema non si pone.
Da notare che, a differenza di quanto visto nei capitoli precedenti, i valori massimi di K non scendono mai al di sotto di 0,2, e questo è dovuto ad un problema che vedremo nel capitolo successivo.

Punti Critici/2

Vediamo ora un secondo punto molto più importante da tenere in considerazione: il condizionamento estivo. Per comprendere il problema riporto qui il grafico con l'andamento annuo dei consumi di una linea di Bassa Tensione (le due linee colorate riportano i valori reali misurati ed i valori del modello matematico).
Il grafico è preso sempre dalla Tesi di Laurea citata.

Consumi Linbea BT 2018-2019

Come potete vedere, il consumo giornaliero della linea BT, che in media è di circa 600 kWh/giorno, nella stagione estiva tende ad aumentare fin quasi a raddoppiare, portando il nostro coefficiente K ad assumere picchi pari a 0,2.

E' comunque vero che le linee BT dovrebbero essere dimensionate per trasportare il valore massimo di potenza proprio della stagione estiva, e non la potenza che si registra la sera dei mesi ordinari.

Conclusioni

La rete di distribuzione di Bassa Tensione attuale ha buoni margini per consentire agli utenti di aumentare la potenza impegnata o comunque di sfruttare maggiormente la potenza contrattuale. A fronte di un contratto medio in BT di 4kW gli utenti assorbono durante il giorno potenze molto più basse, addirittura inferiori al 10% di tale potenza.
Anche nella cabine di trasformazione c'è mediamente un buon valore di potenza disponibile per gli utenti, tanto che in alcuni casi potrebbe coprire il 70% della potenza impegnata di tutti gli utenti contemporaneamente !
Ricordo comunque che l'aumento della potenza impegnata e/o assorbita dagli utenti è limitato dalla dimensione fisica dei cavi elettrici (formazione e/o sezione) un dato che varia a seconda delle realtà e delle imprese locali, realtà che non sono di pubblico dominio e nelle quali i presenti articoli non possono entrare.
Per contro i ragionamenti finora esposti non comprendono il contributo degli impianti di produzione elettrica distribuita come il fotovoltaico, impianti che sono sempre in crescita e che possono contribuire alle necessità energetiche degli utenti diminuendo il numero di eventuali lavori di potenziamento delle reti BT.

Diversa è la situazione in cui si aggiungono carichi importanti con un consumo continuativo.
Per questa evenienza, i dati sembrano concedere tale possibilità per un numero limitato di utenti, numero che si può stimare tra il 5 ed il 10% degli utenti domestici allacciati ad ogni linea.
Un ulteriore problema, oltre a quello del limite fisico dei cavi, potrebbe presentarsi nei mesi estivi o comunque in giornate con elevate temperature esterne a causa dei consumi indotti dagli impianti di condizionamento, ma qui subentrano altre situazioni locali (città turistiche, località montane, ecc) che non sono valutabili in senso generale. In linea di massima, comunque, come si sono trovati dei profili orari di minore carico dei giorni ordinari nei quali si possono aggiungere nuovi "elettrodomestici" (praticamente dalle 00 alle 17), anche nei giorni estivi potrebbero esserci momenti della giornata con spazio per aggiungere ulteriori carichi.
Aggiungo infine che gli utenti domestici hanno nel contatore un limitatore di potenza, saranno quindi gli utenti stessi a distribuire i loro consumi nelle fasce orarie per evitare il distacco per sovracorrente o per evitare di dover aumentare il contratto di fornitura elettrica, contribuendo ad una crescita dei consumi in modo più ordinato.

Link Utili

Università di Padova, Gianluca Pavoni, Tesi sulle reti di distribuzione BT, fondamentale per il presente articolo:
http://tesi.cab.unipd.it/64243/

E(nel) Distribuzione - il nostro sistema elettrico, in numeri
https://www.e-distribuzione.it/Azienda/I-nostri-numeri.html
Piano di Sviluppo 2020-2022
https://www.e-distribuzione.it/Azienda/Rete/il-sistema-elettrico.html

Articoli precedenti
"Fattori di contemporaneità nella rete BT - 1° Parte"
https://www.electroyou.it/m_dalpra/wiki/fattori-di-contemporaneit-nella-rete-bt

Fattori di contemporaneità nella rete bt -Parte 2

"Fattori di contemporaneità nella rete BT - 3° Parte"
https://www.electroyou.it/m_dalpra/wiki/fattori-di-contemporaneit-nella-rete-bt-parte-3