Un Sistema elettrico fatto in casa

Quanto ne sappiamo sul mondo dell’energia? Siamo sicuri di conoscere quei concetti base senza la padronanza dei quali è inutile tentare di affrontare ogni genere di discussione? Io personalmente no, per cui ho chiesto ad Angelo, un operatore del settore nonchè nostro lettore, di chiarirmi un pò le idee. Si apre un mondo talmente complesso da scoraggiare qualsiasi tentativo di cambiamento. Eppure le cose dovranno cambiare molto e molto in fretta, forse non per intraprendere improbabili azioni di mitigazione climatica, ma piuttosto per far fronte alla prossima indisponibilità delle risorse fossili, che hanno sin qui garantito una vasta disponibilità di energia a buon mercato che non è affatto scontata nel prossimo futuro. Buona lettura.

Introduzione

 Tanti parlano di energia e molti sono esperti di tutto! “L’ha scritto il giornale”, “lo dice un certo personaggio in TV”, “l’ha detto un politico”, “l’ha spiegato una certa trasmissione impegnata” oppure “è su internet”. Ecco le ragioni addotte da coloro che si ritengono in grado di dibattere  contro un qualsiasi esperto di qualsiasi cosa dopo essersi informati o essere stati informati. Benedetta società, grazie a Dio abbiamo tante informazioni e siamo liberi di esercitare il nostro pensiero e i nostri diritti attraverso la Conoscenza….

Ma, come al solito è tutto molto più complicato di come viene raffigurato ed il settore energetico, come altri, non si presta a semplificazioni, soprattutto se condite di aprioristica ideologia. L’unico settore di cui so qualcosa è proprio questo, pertanto provo a raccontarvi un paio di cose perché ho notato che molti hanno le idee un po’ più confuse delle mie. E vedrete che il tutto verterà attorno alle fonti rinnovabili. 

Adesso penserete: “fortuna che abbiamo ‘sto esperto che ci spiega come vanno le cose!” Sbagliato, io non vi spiegherò il dettaglio di come funzionano le cose; primo perché non ne sarei capace, secondo perché il settore dell’energia ha una vastità tale che non è possibile conoscerlo in tutta la sua estensione. Nemmeno darò alcuna soluzione. Semplicemente voglio mettere in evidenza quanto sia complicato anche solo tener conto di tutte le variabili in gioco.

Si incomincia

Il mondo dell’energia è costituito da questi “sottomondi” tutti complicati e fortemente intercorrelati: Produzione, dispacciamento e Trasporto, Distribuzione, Consumo. 

Chiunque voglia parlare di energia deve avere sott’occhio tutti questi aspetti e spesso, chi ne parla, conosce a malapena la definizione di uno di questi. In particolare vi accorgerete che spesso si confondono energia e potenza e si ragiona sulle soluzioni come se fossero la stessa cosa. Purtroppo non è così.

Volutamente, volendo rimanere su un ambito tecnico, non parlerò dell’aspetto amministrativo/autorizzativo che vi assicuro sono la vera croce di chi opera nel settore. E non ne parlerò per non disperdermi, e disperdervi, nei meandri legali e amministrativi che partono da leggi del 1880 passando attraverso un certo numero di Regi Decreti del Ventennio, fino ad oggi. 

ENERGIA e POTENZA, boh!

La primissima cosa da fare apparentemente banale, ma sulla quale ci si dedicano diversi libri e ore di studio, è ribadire la differenza tra kW (kilowatt) e kWh (kilowattora). Cosa sulla quale molti “esperti” fanno confusione. Come capirete in seguito la differenza va ben oltre a quella prettamente fisica ed è causa spesso di enorme confusione. Sono sicuro che tra i lettori di questo blog la maggior parte siano già ampiamente informati, ma mi perdonerete se uso definizioni improprie e se spendo qualche battuta in più per quelli che non ricordano o non sanno. 

Il W (watt) è una unità di misura del sistema metrico per la grandezza chiamata Potenza. 1000 W sono 1 kW e 1.000.000 sono un MW (megawatt), infine un miliardo sono 1 GW (gigawatt). Il kWh è una unità di misura del sistema pratico per la grandezza chiamata Energia. Energia e potenza sono due cose completamente diverse. Parlando con un esempio banale: un motore a scoppio da 50 kW a potenza massima eroga 50 KW e in un’ora produrrà 50 kWh di energia meccanica, in due ore 100 e via così pur continuando a erogare 50 KW di potenza fissa in tutto il periodo.

L’energia è il prodotto della potenza per il tempo (ovvero l’integrale della potenza nel tempo). Oppure la potenza è l’energia diviso il tempo (ovvero la derivata dell’energia nel tempo). Se ho un gruppo elettrogeno che eroga 1,5 kW di potenza elettrica ai suoi morsetti (come si dice in gergo, a volte si scrive kWe, “e” sta per elettrico) allora in un’ora a potenza elettrica costante ha prodotto 1,5 kWh di energia elettrica (a volte indicato con la sigla kWhe dove anche qui “e” sta per elettrico) in due ore 3 e così via. Se non si ha chiaro questo concetto , fisso e stampato nel cervello, è meglio lasciar perdere il resto. 

Qualità della fornitura

Urge sottolineare un altro concetto, la qualità del servizio elettrico passa attraverso la qualità dei seguenti parametri:

• frequenza (50 Hz fissi nel continente europeo, 60 per quello americano) in genere più o meno 0,3 Hz;
• tensione (230 se monofase o 400 se trifase) in genere all’interno del 10 % per avere garanzia di funzionamento delle apparecchiature elettriche;
• continuità della fornitura (questo è un concetto chiarissimo);

Vi sono altri parametri importantissimi, ma non interessanti per le considerazioni che si effettueranno in seguito. 

Prime considerazioni

Avere una buona qualità della fornitura non è un capriccio, ma una condizione necessaria di specifica per poter progettare nuove apparecchiature sicure alla rete. Sulla continuità del servizio si potrebbe anche sostenere che per salvare l’ambiente potremmo accettare un degrado di tale parametro, ma non credo che gli ospedali e i luoghi pubblici siano d’accordo. Come pure alcuni processi industriali . Certo che si può sempre ricorrere a sistemi “tampone”, come accade già ora, ma i costi sono elevatissimi e oltre certe potenze non è possibile andare. Per quanto possibile, è sempre opportuno, meglio e più sicuro avere una rete stabile . 

Stoccabilità della fonte primaria e dell’energia elettrica 

Prima due definizioni:

Stoccabilità Significa la possibilità di immagazzinare una certa cosa in momenti di eccesso produttivo al fine di usufruirne in momenti di carenza.

Energia primaria è l’energia presente in natura che non deriva dalla trasformazione di nessuna altra forma di energia quindi pronta per essere trasformata in energia elettrica.

Facciamo ora una macrodistinzione sulla stoccabilità dell’energia primaria:

• per il rinnovabile (ovvero acqua, sole, biomassa o vento, disponibili e pronti a essere trasformati in energia elettrica) la stoccabilità non è possibile salvo gli impianti a bacino;
• per le fonti esauribili (ovvero petrolio, carbone, nucleare o metano, disponibili e pronti ad essere trasformati in energia elettrica) la stoccabilità è  sempre possibile.

L’energia elettrica ottenuta trasformando l’energia primaria di cui sopra,  non è direttamente stoccabile e per fugare il primo scandalo dei lettori più esperti, urge fare una distinzione per ambiti:

• Per piccoli sistemi elettrici ovvero dell’ordine di qualche kW o centinaia di KW, il mezzo vettore per lo stoccaggio può essere l’energia chimica contenuta all’interno di batterie (vedi sistemi fotovoltaici pensati per andare in isola, ovvero non allacciati a rete, o grossi gruppi di continuità).
• Per grandi sistemi elettrici (oltre al limite di cui sopra), l’unico modo di stoccare è attraverso l’energia potenziale dell’acqua che in questo caso diventa un vettore energetico, movimentandola tra due serbatoi posti a due diverse quote sul livello del mare. Insomma acqua che viene pompata di notte verso il bacino superiore e di giorno “scaricata” al bacino inferiore attraverso lo stesso macchinario reversibile (turbine Francis).

Questo è allo stato attuale l’unico modo stabile, ingegneristicamente collaudato e consolidato di stoccare energia elettrica per grandi sistemi elettrici. Si stanno studiando nuove soluzioni attraverso la generazione di idrogeno (chè è comunque un vettore energetico e non fonte primaria) e altre cose simili, ma non costituiscono una soluzione tecnicamente consolidata perché ancora non si è verificato, in pratica, quali rendimenti di processo possano offrire e con quale sicurezza. Qualcuno sicuramente non sapeva che di notte venisse pompata acqua bruciando  petrolio. Ebbene non si tratta di un vezzo occidentale, dovuto al desidero di sprecare energia eletrica per il gusto di bruciare petrolio, purtroppo è necessario per la stabilità della rete.

E adesso …un semplice sistema elettrico

Posto di avere un sistema elettrico costituito da una utenza elettrica che assorbe costantemente  nel tempo 10 kWe, collegato tramite una linea elettrica ad un generatore di potenza regolabile da 1 kWe a 15 kWe, la condizione affinchè il sistema sia stabile è che la potenza prodotta dal generatore sia identica istante per istante alla somma di quella consumata più quanto si disperde lungo la linea. In tal modo si mantiene costante la frequenza e si regola opportunamente e contemporaneamente la tensione in modo da mantenerla all’interno delle tolleranze. E’ importantissimo ribadire che l’eguaglianza è necessaria per un motivo fondamentale: l’energia elettrica in un sistema elettrico reale non è direttamente stoccabile e il suo stoccaggio in volumi importanti si traduce, allo stato attuale, in impianti idrici di dimensione improponibile.

Ritorniamo al nostro piccolo sistema elettrico: se non c’è l’equilibrio delle potenze che succede? Innanzitutto cambia la frequenza: in aumento se la potenza prodotta è superiore alla consumata, in diminuzione se quella prodotta è inferiore. In tal caso, per un po’ la tensione rimane stabile poi anche questa esce dai limiti in eccesso o in difetto. Quindi se non si interviene, variando la potenza del generatore, aggiungendo un nuovo generatore o riducendo il consumo, il sistema va in arresto o in condizioni pericolose per i carichi dell’utenza o per i macchinari. 

Vi faccio notare che se in un sistema elettrico si ha sempre l’uguaglianza istante per istante tra potenza prodotta e consumata a meno delle perdite, allora  in un periodo noto (ad esempio un anno), l’energia prodotta è identica a quella consumata a meno delle perdite. Tuttavia non si può ragionare sul sistema elettrico facendo confusione tra i bilanci di ENERGIA e di POTENZA.

Un sistema elettrico più complicato

Supponiamo ora di avere un carico che consuma una potenza costante e di avere lo stesso sistema elettrico ma con due generatori : un gruppo elettrogeno e un impianto da fonte rinnovabile (piccolo palo eolico,  un piccolo parco fotovoltaico, una piccola centralina idro ecc…) in grado di produrre fino a 15 kWe.

Se non c’è vento, sole o acqua, il rinnovabile è come se non esistesse ed è come se il sistema fosse costituito da un solo sistema di produzione a gruppo elettrogeno. Se c’è vento, sole o acqua per produrre circa  5 kWe molto probabilmente si privilegerà il rinnovabile (che non consuma combustibile) e, conseguentemente, dovrò regolare il gruppo elettrogeno in modo da fare solamente 5 kWe (vi ricordo che l’esempio è ancora a 10 Kw in consumo costanti).  Se il vento cambia, il cielo si copre oppure cala l’acqua devo comunque fare in modo che  il gruppo elettrogeno si prenda in carico di rispettare l’uguaglianza della potenza per la stabilità della rete. Insomma il rinnovabile, giustamente, fa quello che gli pare e tutto quello che ha viene immesso in rete (dicesi Priorità di Dispacciamento in gergo tecnico) mentre le altre unità di produzione, la cui fonte primaria è stoccabile e facilmente regolabile, si adattano.

Bisogna sottolineare alcune cose. Con un gruppo elettrogeno piccolo i tempi di riduzione o aumento della potenza per effettuare il bilanciamento saranno molto brevi; nei grandi impianti non è assolutamente così.  Il tempo di regolazione è pari a molte ore, mentre le condizioni atmosferiche favorevoli alla produzione possono cambiare in pochi minuti. Nei casi reali anche la potenza consumata non è mai costante ma cambia in continuazione oscillando tra giorno e notte.  Qui trovate la curva di consumo nazionale:  in estate la potenza di picco, cioè quella massima, si alza fino a oltre 50 GW. Le grandi centrali termiche non possono seguire così facilmente la produzione rinnovabile, mentre possono seguire più facilmente i consumi che a livello regionale o nazionale non hanno variazioni dell’ordine dei minuti ma solo di ore. 

Prima di proseguire urge una piccola classificazione delle varie tipologie di centrale evidenziando le caratteristiche di ogni impianto. Lo facciamo con la tabella qui sotto.

 

NB: La produzione media in ore equivalenti è data dal rapporto tra l’energia elettrica prodotta in un anno e la potenza installata dell’impianto. Non significa assolutamente che il suo funzionamento sia quello delle ore equivalenti, in realtà è molto di più perché bisogna tenere conto dei periodi in cui funziona a potenza ridotta (per il fotovoltaico ad esempio nella prima mattina o pomeriggio, per l’idroelettrico nelle stagioni prima dell’estate o subito dopo l’estate se ad acqua fluente etc. etc.). Qualora si volesse approfondire qui si trovano tutte le statistiche del caso, mentre qui ci sono altre informazioni utili.

Ora proviamo ad immaginare di avere un sistema elettrico costituito da una enorme rete magliata alla quale siano allacciate tante utenze con consumi differenziati nelle varie ore del giorno , nella settimana e nel periodo stagionale, e tante centrali di produzione costituite da grande termico, eolico, idroelettrico da pompaggio e da serbatoio in genere e da acqua fluente, fotovoltaico,  biomassa ecc… Tenete bene a mente le regole di cui sopra e seguitemi.

Il Sovradimensionamento

Immaginate di essere in un periodo estivo con calma piatta di vento  e in condizioni meteo di copertura nuvolosa, ebbene il rinnovabile non garantisce nemmeno la fornitura, se non in piccolissima parte, conseguentemente ci vuole il termico da fonte esauribile per coprire i consumi. La mutevolezza di un impianto rinnovabile, eolico o fotovoltaico che sia, obbliga ad avere unità pronte all’intervento per mantenere la qualità del servizio elettrico. Queste unità possono essere termico di soccorso o idroelettrico da bacino, in grado di poter partire o di essere staccati dalla rete in breve tempo, qualora si uscisse dal bilanciamento di potenza. Ad onor del vero, occorre sottolineare che mediamente la produzione del rinnovabile può essere compensata dalla differente dislocazione delle unità di produzione rinnovabili, grazie all’interconnessione, perché è estremamente difficile che in tutta la rete e in tutti gli impianti, in un preciso istante, manchi contemporaneamente il vento o si creino condizioni di copertura nuvolosa totale. Per stemperare il tutto va detto che allo stato attuale il rinnovabile più “labile” rappresenta meno del 10% dell’energia prodotta, quindi non siate terrorizzati! 

La necessità dell’interconnessione con altri sistemi

Una soluzione adottata, per il problema di cui sopra, è quella dell’aiuto reciproco, cioè l’interconnessione con altre reti regionali o nazionali. In tal caso saranno gli altri a coprirci oppure a ricevere la nostra energia se siamo in condizione di eccesso o difetto di produzione. Diventa probabilmente possibile anche scambiarsi energia elettrica da fonte rinnovabile tra regioni e tra nazioni, ma, in quest’ultimo caso,  si entra in un settore dove oltre all’aspetto tecnico si deve tener conto anche di quello contrattuale internazionale, confrontandosi con gli interessi strategici degli altri paesi. Questo, per molti aspetti, accade già ora. In conclusione  per avere del rinnovabile devo avere una potenza elettrica installata in macchinari sovradimensionata rispetto ai miei consumi e avere anche del termico o idroelettrico da bacino pronti ad intervenire. A meno che non si importi di energia dall’estero o da altre regioni. Per dovere di cronaca bisogna dire che il sistema Italia è sempre in deficit rispetto alle dorsali di interconnessione internazionali e abbiamo diverse centrali nucleari in Francia che coprono il nostro fabbisogno (in francia ce ne sono 58 di cui fino a  6 al nostro servizio); qualcosa riceviamo anche dalla Svizzera (che ha 2 centrali nucleari) e dall’Austria e dalla Slovenia (che ha una centrale nucleare al confine con noi). 

Necessità di grandi linee di trasporto per l’energia

Per cui, se si vuol far ricorso all’interconnessione si dovrà disporre di linee elettriche ad alta tensione (quelle a maggiore impatto ambientale ed infrastrutturale) per portare l’energia in altri punti dove c’è eccesso di potenza in consumo o c’è la possibilità di modulare gli impianti di produzione per dispacciare l’energia rinnovabile. L’alternativa, quando si ha eccesso di potenza rinnovabile non consumabile, è la disconnessione immediata del’impianto dalla rete. 

Per non confondere bilanci di Potenza con bilanci di Energia

Dicevamo sopra che l’uguaglianza istante per istante tra potenza prodotta e consumata a meno delle perdite implica per un periodo noto che l’energia prodotta sia identica a quella consumata a meno delle perdite. Non è assolutamente lecito confondere bilanci di potenza con bilanci di energia: ve lo dimostro. Dicevamo che se ho una fonte rinnovabile devo sempre fare in modo che ci siano impianti di produzione tradizionali (che hanno l’energia primaria stoccabile) pronti a ridursi o ad aumentare per privilegiare il rinnovabile. Se installo 3 GW di fotovoltaico non è assolutamente vero che posso fare a meno di circa 4 centrali tradizionali che constano di circa 800 MW di potenza installata a centrale. Quando i primi sono in potenza di picco è vero, ma quando non lo sono devo essere coperto in altra maniera. Se faccio il conto in termini non di potenza ma di energia, 3GW di fotovoltaico producono circa 3300 GWh di energia all’anno, che corrisponde all’energia prodotta da un piccolo impianto tradizionale (a metano ad esempio) di circa 400 MW. Indubbiamente il fotovoltaico produce quando la domanda di potenza è in genere massima (ovvero nelle ore centrali della giornata) quindi c’è un effetto compensatore dovuto alla variabilità della domanda di potenza in consumo da parte del sistema paese che è maggiore nelle ore centrali, ma per essere efficace occorre un perfetto “inseguimento” tra potenza fotovoltaica prodotta e potenza in consumo. Questo è impossibile. Il numero di centrali alle quali si può rinunciare è dunque più realisticamente da 0 a 1.

La generazione distribuita

Da tempo si dice che si può fare un sistema elettrico evitando grandi impianti e producendo direttamente, o molto vicino, a dove si consuma, riducendo contemporaneamente sia l’impatto ambientale che la dissipazione di energia lungo le linee. Tutto giusto e sacrosanto, ma solo nell’ipotesi di una rete che si regga col rinnovabile e sia asservita a piccoli consumi. Purtroppo solo dai grandi impianti, “impattanti e mortali”, è possibile avere rendimenti energetici importanti. Se con impianti da fonte esauribile da 800 MW si arriva anche al 57% di rendimento, con macchine piccole si arriva a rendimenti del 37% (cioè qualche MW). Perciò si può dire che piccolo è bello se rinnovabile, anche se scomodo, ma grande forse è ancora meglio per l’ambiente perché quel 20% di differenza è una percentuale che si ritorce contro l’ambiente.

Incentivi et similia

In tutta questa trattazione è sottintesa la validità del ragionamento a partire dallo state dell’arte, ovvero quelle soluzioni rodate e validate che sono diventate consuetudine e che danno, nel bene o nel male, la certezza del funzionamento dell’impianto e conseguentemente del sistema elettrico. Quando nel mondo dell’energia si affrontano nuove tecnologie bisogna usare una prudenza elevata al cubo. Vi spiego. Il libero mercato ha aperto le porte a tanti privati o nuove società che vogliono investire in questo settore. Poiché nessun operatore del settore energia gira con la valigia dei soldi, è necessario ricorrere a pesanti finanziamenti da parte di istituti di credito. Uno dei requisiti importantissimi per la bancabilità di un progetto è che si tratti di una tecnologia rodata e verificata sul campo, cioè non ferma al livello di pubblicazione scientifica. Per eccesso di prudenza, necessario e dovuto, sappiate che ad esempio, due tecnologie anche se rodate e separatamente verificate sul campo, nel momento in cui si fondono e diventano una unica soluzione sono da considerarsi nuova tecnologia. Pertanto, se perfino in questo caso il progetto può essere ritenuto non bancabile, figuriamoci se ci si presenta con una nuova idea ed una nuova tecnologia! Qualcuno si scandalizzerà, ma chi opera nel settore della pratica ingegneristica sa perfettamente che le sorprese non finiscono mai. Si giunge così all’unica possibilità di un finanziamento pubblico sull’investimento per sperimentare adeguatamente sul campo l’iniziativa.

Quando invece si presenta una soluzione collaudata e abbondantemente verificata sul campo gli istituti di credito sono molto più felici e non si mangiano le unghie durante la fase esecutiva e gestionale dell’investimento. Tuttavia la nuova società che si creerà per implementare l’iniziativa, nel caso rinnovabile, necessita di incentivi sulla energia prodotta (vedi certificati verdi – CV) per portare in positivo il bilancio della società durante i primi anni, altrimenti sarà in negativo per la fase di ammortamento di impianto, interessi sui prestiti ecc…ecc… Terminati gli ammortamenti l’iniziativa sta in piedi anche senza certificati verdi, come già ora è perché i CV non durano vita natural durante. Quindi i CV servono per la finanziabilità di progetto e per agevolare la nascita di nuovi operatori.

In ogni caso gli operatori dormono comunque pochino per l’enorme incertezza esecutiva che hanno tali progetti. Può ad esempio capitare che il gestore della rete ti allacci dopo 1 o 2 anni che hai finito l’impianto avendolo chiesto magari 3 anni prima di iniziare i lavori, con gli interessi bancari che devi comunque pagare perché, altrimenti, l’espressione del funzionario passa da sorridente ad arcigna e solenne.…..

Allora che ne pensate? Quanto segue avrebbero dovuto essere le “Conclusioni”, ma non ha senso! Abbiamo solo dato una occhiata al mondo dell’energia, molto rapida e forse troppo sintetica. Qusti concetti fanno parte della pratica e della tecnica e sono nati insieme alla prima rete elettrica a fine ‘800. Sì, prima della formalizzazione delle equazioni di Maxwell!

In questi non c’è assolutamente un posizione ne pro né contro il rinnovabile. Anzi bisogna sicuramente puntare ad un mix intelligente: non ci sono dubbi. Quale mix? Vi risponderei solo dopo averne parlato per mesi e anni con alcune persone molto capaci (e, credetemi, ce ne sono anche negli ambiti pubblici). Certo è che il rinnovabile comporta un aumento della potenza produttiva installata, conseguentemente un aumento dei costi di produzione. Fa da contraltare una riduzione del consumo da fonte esauribile, almeno finché tutta l’energia viene dispacciata con priorità.

Mi piacerebbe che quando qualcuno ragiona su questi argomenti si ponesse sempre qualche domanda umilissima: Avrò detto una sciocchezza o una cosa sensata? Ho ragionato su ingegneria o su ricerche non supportate da pratica? Ho parlato senza confondere ENERGIA con POTENZA? Avrò fatto i conti senza l’oste?

Dimenticavo…e libero da ideologia?

Angelo