Gli Stati Uniti hanno numerosi piani per espandere e modernizzare la propria rete elettrica. Tra questi figurano la costruzione di nuovi parchi solari ed eolici, l'aggiunta di centrali a carbone e a gas naturale e la fornitura di elettricità ai data center che elaborano carichi di lavoro basati sull'intelligenza artificiale.

Tutti questi sforzi dipendono da una tipologia di apparecchiatura il cui progetto di base risale alla fine del XIX secolo: il grande trasformatore di potenza. Comprendere perché questa singola categoria di apparecchiature sia diventata un collo di bottiglia aiuta a spiegare i lunghi tempi di consegna e l'aumento dei costi che attraversano tali piani.

Queste enormi strutture metalliche possono essere grandi quanto una casa a due piani e pesare fino a 400 tonnellate, circa il peso di un Boeing 747 a pieno carico. Convertono le alte tensioni utilizzate per trasmettere l'elettricità su lunghe distanze in tensioni più basse, utilizzabili da abitazioni e attività commerciali. Sebbene l'apparecchiatura sia stata inventata circa 150 anni fa, i grandi trasformatori di potenza sono ancora prodotti in gran parte secondo lo stesso approccio di base.

Molti trasformatori in funzione negli Stati Uniti e altrove sono più vecchi della loro vita operativa prevista. Al contempo, non ci sono abbastanza ricambi per soddisfare la domanda mondiale. Evadere e consegnare un ordine può richiedere più di tre anni.

I trasformatori trasportano l'energia in modo efficiente

I grandi trasformatori di potenza sono essenziali per trasportare l'elettricità su lunghe distanze. Le centrali elettriche — impianti a carbone e a gas, dighe idroelettriche e parchi solari ed eolici — si trovano spesso lontano dai clienti che utilizzano l'elettricità che producono.

L'elettricità che attraversa i cavi di trasmissione genera calore. Su lunghe distanze, quel calore può ridurre sensibilmente la quantità di energia che raggiunge la destinazione. Le società elettriche utilizzano quindi grandi trasformatori per innalzare la tensione, riducendo le perdite di trasmissione. Il processo può essere paragonato al caricamento del merce su grandi camion che percorrono le autostrade interstatali: i camion trasportano energia in modo più efficiente rispetto a veicoli più piccoli su strade minori.

Tuttavia, l'elettricità ad alta tensione non può essere utilizzata direttamente da abitazioni e attività commerciali, proprio come un semirimorchio in velocità autostradale non può entrare nel vialetto di una residenza. Quando l'elettricità raggiunge un'area in cui si trovano i clienti, un altro grande trasformatore abbassa la tensione a livelli utilizzabili. Le linee di distribuzione a bassa tensione trasportano quindi l'elettricità per la distanza rimanente fino ad abitazioni e attività.

Dal 2019 al 2025, la domanda di trasformatori di connessione dei generatori — quelli che collegano le centrali alla rete di trasmissione — è quasi triplicata. Nello stesso periodo, la domanda di trasformatori che fungono da «uscite» a bassa tensione è più che raddoppiata, mentre i loro costi sono aumentati dell'80%. In termini pratici, le centrali al centro dei piani di espansione della rete — nucleari, a combustibili fossili, solari ed eoliche — dipendono tutte dal medesimo limitato pool di apparecchiature costruite su misura.

Queste unità non sono prodotte in serie su linee di assemblaggio completamente automatizzate. Ognuna è progettata su misura per i requisiti della località di destinazione. Se un trasformatore specializzato si guasta durante una tempesta estrema o un'onda di calore, in genere non c'è un ricambio in attesa in qualche magazzino.

I materiali specializzati limitano la produzione

I materiali utilizzati per costruire i trasformatori sono una delle principali cause del ritardo. Un componente fondamentale è l'acciaio elettrico a grani orientati, un prodotto specializzato diverso dall'acciaio comune.

I produttori utilizzano precisi processi termici e meccanici per allineare i cristalli magnetici dell'acciaio in un'unica direzione. Tale allineamento consente ai campi magnetici di attraversare il materiale con perdite di energia relativamente basse, una proprietà importante nella gestione di grandi quantità di elettricità. Solo un numero esiguo di laminatoi specializzati al mondo può produrre questo materiale, e uno solo di questi si trova negli Stati Uniti. La produzione statunitense di trasformatori risulta quindi dipendente da un unico stabilimento nazionale per il materiale che sta al cuore del prodotto.

Anche il rame è in carenza. Viene trasformato in fili avvolti attorno al nucleo del trasformatore, tipicamente in acciaio, per ottenere la regolazione della tensione richiesta.

Un'alternativa crea un altro collo di bottiglia

A causa della carenza di trasformatori, le utility e i produttori di energia possono attendere più di due anni per le apparecchiature necessarie a collegare una nuova centrale alla rete. Il ritardo riguarda le centrali alimentate a energia nucleare, combustibili fossili, energia solare o eolica.

Per evitare l'attesa di un collegamento alla rete, le società che gestiscono data center per sistemi di intelligenza artificiale hanno cercato di aggirare del tutto la rete installando centrali a gas naturale dedicate in loco.

Questa soluzione alternativa ha creato un altro problema di filiera. Le turbine a gas operano a temperature superiori a 2.000 gradi Fahrenheit (1.100 °C), abbastanza calde da fondere l'acciaio standard. Le pale delle turbine sono prodotte con un processo complesso utilizzando combinazioni di metalli altamente specializzate e rivestite con schermi termici in ceramica.

Man mano che le aziende tecnologiche hanno effettuato ordini più numerosi e di maggiori dimensioni, il tempo tra l'ordinazione di una turbina a gas e la sua consegna si è allungato fino a tre-sette anni. I prezzi delle turbine nel 2027 dovrebbero quasi triplicarsi rispetto ai livelli del 2019, a causa della maggiore domanda e della persistente scarsità di materiali specializzati. Tale tempo di attesa è superiore a quello del collegamento alla rete che le centrali in loco erano chiamate a evitare.

Le possibili risposte

Una filiera sviluppata nel XIX secolo sta faticando a servire in modo affidabile un'economia del XXI secolo. I grandi trasformatori di potenza servono anche ad ammodernare la rete esistente e a ridurne la vulnerabilità a grandi tempeste e interruzioni prolungate.

Le soluzioni potenziali sono concrete ma complesse. L'Agenzia statunitense per la cybersicurezza e la sicurezza delle infrastrutture ha raccomandato di standardizzare i progetti dei trasformatori anziché costruire ogni unità da zero. La standardizzazione potrebbe aiutare i produttori a realizzare più unità più rapidamente attraverso un processo di tipo catena di montaggio. Potrebbe inoltre facilitare la condivisione di trasformatori di emergenza tra le utility. Il rapporto dell'agenzia è disponibile su CISA.

Il Dipartimento dell'Energia statunitense ha raccomandato di adottare tecnologie collettivamente note come «grid-enhancing technologies». Queste includono sensori che misurano in tempo reale quanta elettricità può transitare attraverso le linee di trasmissione a lunga distanza, oltre a software avanzati che individuano percorsi alternativi per distribuire l'elettricità dalle centrali e massimizzare la potenza disponibile per i clienti. Secondo il Dipartimento, tali sistemi consentono di trasmettere il 15-20% di elettricità in più, alleviando i colli di bottiglia in attesa della consegna dei nuovi trasformatori. Le informazioni del Dipartimento sono disponibili su DOE.

Nel lungo periodo, gli Stati Uniti potrebbero produrre più acciaio elettrico a grani orientati, lavorare più rame ed espandere la capacità nazionale di fabbricazione dei grandi trasformatori di potenza. L'adozione di progetti standardizzati, l'impiego di tecnologie di potenziamento della rete sulle linee esistenti e la costruzione di nuova capacità nazionale determineranno la durata dell'attesa per queste apparecchiature.

Ogni sforzo per adattare, migliorare, espandere e modernizzare la rete elettrica dipende da queste apparecchiature. Senza i grandi trasformatori di potenza, tali sforzi incontreranno limiti significativi. I responsabili politici e i leader del settore si trovano quindi davanti a una scelta: affrontare le carenze di hardware o accettare la conseguente congestione della rete, i ritardi dei progetti e l'aumento dei costi.

Risolvere il collo di bottiglia dei trasformatori trasformerebbe questi vincoli da esito predefinito a problema affrontabile attraverso decisioni deliberate.

Jasmine Garland è Chancellors Postdoctoral Fellow in Ingegneria civile, ambientale e architettonica presso l'Università del Colorado Boulder.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. L'articolo originale è disponibile su The Conversation.

Questa storia è stata pubblicata originariamente su Fortune.com.