Aspetti tecnici ed economici dei sistemi di collegamento alla rete elettrica delle diverse fonti di energia rinnovabile

L’importanza delle risorse rinnovabili Riduzione delle emissioni di CO2 secondo i parametri di Kyoto Ridurre i consumi di combustibili fossili derivanti da fonti energetiche “esauribili” Utilizzo di energia endogena (materiali e tecnologie del nostro paese) Riduzione del rischio di “shortage” conseguente alle crisi politiche internazionali del medio oriente

Procedure generali di connessione alla rete elettrica Individuazione delle taglie massime e minime ammesse degli impianti differenziate per livelli di tensione. Individuazione del livello di tensione della rete al quale l’utente può connettersi in relazione alle tipologia e alla taglia dell’impianto, alle esigenze e alle caratteristiche della porzione di rete interessata. Individuazione dello schema dell’inserimento dell’impianto (in linea o in stazione). Individuazione dello schema di connessione (derivazioni e sistemi di sbarra). Valutazione sull’impiego di organi di manovra e d’interruzione in relazione Individuazione delle taglie massime e minime ammesse alla manutenzione e al sistema di protezione della rete. Definizione dell’impianto di consegna, dei confini funzionali e di proprietà tra gli impianti nonché di tutti gli elementi tecnici e delle condizioni da riportare in accordi complementari e documenti contrattuali.

Obiettivo della connessione Garantire agli utenti l’accesso alla rete Garantire la continuità del servizio Mantenere invariata l’efficienza del sistema

FOTOVOLTAICO Le celle fotovoltaiche consentono di utilizzare l’energia proveniente dal sole sfruttando l’effetto fotovoltaico Una cella fotovoltaica esposta alla radiazione solare si comporta come un generatore di corrente con una curva caratteristica tensione/corrente che dipende fondamentalmente dall’ intensità, della radiazione solare, dalla temperatura e dalla superficie.

Gli impianti fotovoltaici sono classificati in due categorie a seconda che siano o meno collegati alla rete: Impianti stand-alone Gli impianti fotovoltaici autonomi (stand alone ) vengono utilizzati prevalentemente nelle zone isolate, nelle quali non è possibile allacciarsi alla rete elettrica.

Sono sistemi non collegati alla rete elettrica e sono costituiti da moduli FV, da un regolatore di carica e da un sistema di batterie (accumulatori) che garantisce l’erogazione di corrente anche nelle ore di minore illuminazione o al buio. La corrente generata è continua.

Gli impianti fotovoltaici sono classificati in due categorie a seconda che siano o meno collegati alla rete: Impianti grid-connected Gli impianti fotovoltaici grid connected sono allacciati alla rete elettrica e funzionano come produttori e/o utilizzatori di energia elettrica

Nel caso in cui l'impianto non riesca a coprire il fabbisogno di energia elettrica, come ad esempio nelle ore notturne, l'energia per gli utilizzatori viene prelevata dalla rete elettrica con contatore "ad avere“ Quando l'impianto è in sovrapproduzione di energia l'eccesso viene ceduto alla società elettrica, per cui viene immesso in rete e conteggiato con un contatore "a dare" da parte della società elettrica.

Gli impianti fotovoltaici sono classificati in due categorie a seconda che siano o meno collegati alla rete Impianti grid-connected I sistemi grid connected sono il principale oggetto dei programmi di incentivazione in conto energia

Essa non fissa più un valore limite superiore per gli allacciamenti in BT e MT ma sostituisce questo criterio con la valutazione tecnica della società distributrice di energia elettrica che si basa sulle caratteristiche dell'impianto di produzione  e sugli specifici criteri di esercizio della rete Le modalità di allacciamento di generatori elettrici alla rete di distribuzione sono regolamentati dalle norme CEI.

Maximum Power Point Tracker FOTOVOLTAICO: Gli inverter E’ molto importante anche l'interfaccia di rete cheprevede una serie di misure di sicurezza tali da evitare l'immissione di energia nella rete elettrica qualora i parametri di questa, siano fuori dai limiti di accettabilità.   Maximum Power Point Tracker

Gli inverter specifici per il fotovoltaico hanno particolari sistemi di controllo software e hardware che consentono di estrarre dai pannelli solari la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione meteorologica L’inverter è un apparato elettronico in grado di convertire corrente continua in corrente alternata, oppure una corrente alternata in un'altra di differente frequenza

L’ENERGIA EOLICA L’energia eolica è l'energia posseduta dal vento sotto forma di energia cinetica Le macchine eoliche presenti sul mercato possono essere raggruppate: Aerogeneratori di piccola taglia Potenza nominale unitaria inferiore a 100kW Connessione in BT

Aerogeneratori di media taglia connessi alla rete elettrica Potenza nominale fino a 1 MW; sono quelli installati con maggior frequenza

Aerogeneratori di grande taglia Anche per applicazioni off-shore, con potenza nominale fino a 10 MW

CARATTERISTICHE DELL’ENERGIA EOLICA Una peculiarità della macchina eolica è che non può essere rispondere ad un carico, meccanico o elettrico che sia, perché questo carico non avrà mai un andamento coincidente con quello del vento L’energia prodotta dovrà essere accumulata o immessa in rete. Si possono seguire due vie di “accumulazione” dell’energia: sotto forma di corrente continua in batteria o sotto forme di corrente alternata da immettere nella rete elettrica Per evitare lo sbilanciamento della rete deve essere immessa in rete una frazione di energia derivante da fonte eolica modesta rispetto alla frazione dell’energia convenzionale

Possibilita’ di configurazione degli impianti Utili da realizzare nelle località lontane dalla rete elettrica Impianti eolici a isola Inverter Gli elementi costitutivi : Generatore eolico Regolatore di carica: protegge gli accumulatori da sovraccarichi in modo da farli lavorare in un intervallo di tensioni adeguate Batterie di accumulo dell’energia

Possibilita’ di configurazione degli impianti Impianti connessi alla rete L’energia prodotta in esubero, viene immessa nella rete elettrica e al momento del bisogno (notte e giornate poco soleggiate) la riprendiamo comunemente con nostro il contatore generale

Come funziona un impianto eolico connesso alla rete ALTERNATORE: trasforma l’energia meccanica in energia elettrica ROTORE: tramite un moltiplicatore di giri il rotore alimenta un albero veloce che a sua volta alimenta un generatore elettrico. Dal rotore l’energia cinetica del vento viene convertita in energia meccanica e trasmessa ad un generatore di corrente

MOLTIPLICATORE DI GIRI: serve a trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione veloce in grado di far funzionare il generatore di elettricità Al soffiare del vento il rotore gira e aziona a sua volta il generatore elettrico, tramite un moltiplicatore di giri, che ha la funzione di trasformare l'energia meccanica in energia elettrica. Gli aerogeneratori sono connessi fra loro elettricamente attraverso un cavidotto interrato. All'impianto eolico e' associata una cabina-stazione di consegna che, a sua volta e' connessa alla rete elettrica nazionale. TRASFORMATORE: l’energia elettrica prodotta dall’alternatore viene inviata al trasformatore che si occupa di innalzare la tensione e abbassare la corrente per ridurre le perdite di potenza in rete che variano con il quadrato della corrente stessa

Connessione ad una rete locale Per rete locale si intende una rete di breve estensione e potenzialità dove sono presenti pochi generatori Due sono I problemi che si incontrano in queste connessioni: Le utenze assorbono sempre potenza reattiva che il generatore elettrico deve essere in grado di produrre. Questo fa cadere la scelta sui generatori asincroni perché quelli asincroni non sono in grado di produrre questa potenza anzi la assorbono E’ necessaria una regolazione: della rete

Che cos’e’ la regolazione della rete??? La tensione della rete deve rimanere costante quindi il carico deve essere bilanciato dalla generazione. Cioè non avviene in maniera autonoma perché il carico varia con le esigenze dell’utenza mentre la potenza generata con la velocità del vento. Nel caso in cui la velocità del vento sia bassa o nulla e non è ammessa l’interruzioe del servizio la rete elettrica deve essere alimentata da altra fonte. Si possono usare nel caso di impianti di piccola potenza batterie tampone enel caso di medie potenze con un turbogas o con diesel. Nei casi in cui l’energia prodotta sia superiore alla domanda il bilanciamento avviene facilmente con i carichi resistivi che attivati da switch assorbono l’energia prodotta in eccesso

Rete territoriale E’ alimentata da centrali elettriche di varia natura: termiche (vapore, gas, cogenerazione) idrauliche nucleari eoliche Per ragioni economiche gli impianti ad alto costo capitale e basso costo d’esercizio (nucleare e anche eolico) funzionano continuamente mentre gli impianti a minor costo capitale e maggiori costi d’esercizio sono adibite a coprire il carico di punta.

Gli impianti eolici devono coprire quindi il carico di base e quando è disponibile deve essere pienamente utilizzata Ogni fluttuazione dell’energia da fonte eolica deve essere compensata immediatamente da quelle fonti termiche che più rapidamente possono rispondere alle variazioni di carico.

EOLICO OFF-SHORE Con l'espressione eolico off-shore si intendono gli impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi VANTAGGI DELL’EOLICO OFF-SHORE RISPETTO A QUELLO TERRESTRE: Più favorevole regime dei venti con velocità superiori fino al 30% rispetto ai corrispondenti valori di terraferma Minore turbolenza e minore variazione del vento con l’altezza Possibilità di installare aerogeneratori più grandi Minore impatto visivo

SVANTAGGI: costi elevati da sostenere, soprattutto per adeguare le reti elettriche ai fini dell’interconnessione tra rete terrestre e impianti in mare

CONNESSIONE DI UN EOLICO OFF-SHORE

Elementi principali: La rete elettrica tra le macchine e la linea in cavo sottomarino per il collegamento con la terraferma Cabina di trasformazione a terra necessaria per elevare la tensione da 33 kV alla tensione della rete elettrica nazionale di 150 kV; Stazione di smistamento: la stazione di smistamento, connessa tramite un elettrodotto interrato a 150kV alla cabina di trasformazione, trasferisce l'energia alla Rete Elettrica Nazionale. La connessione dei parchi eolici (o wind farms) off-shore può avvenire tramite un collegamento in MT sino alla stazione off-shore e poi con un cavo di alta tensione sino al collegamento in terra. In alternativa possiamo avere dei cavi di MT che collegano gruppi di macchine direttamente a terra.

CONCLUSIONI SULLA CONNESSIONE DEGLI IMPIANTI EOLICI Gli aerogeneratori sono previsti di sistemi di controllo e regolazione della frequenza e della tensione che li mettono in grado di produrre una corrente congruente con la rete elettrica. Sara’ necessario un trasformare che elevi la tensione ai valori della rete elettrica cui il generatore viene connesso Nel caso di macchine singole ciò avviene con un trasformatore singolo Nel caso di wind farm on shore si realizza una rete interna di interconnessione fra gli aerogeneratori alla base dei quali vi e’ un trasformatore Nel caso invece delle centrali off shore – per ragioni di costo dei trasformatori e grazie a distanze ancora non troppo elevate dalla costa - si continua ad utilizzare una tensione massima di 36 kV.

ASPETTI ECONOMICI Il costo di un sistema fotovoltaico varia molto in funzione di tipologia d’impianto, dimensione, luogo d’installazione, requisiti e specifiche tecniche. Il range oscilla tra 7.500 e 15.000 €/kW e il costo del kWh varia da 0,5 a 1,5 €.

Per gli impianti eolici il costo medio del kW installato si aggira intorno ai 700 €: una macchina da 1 MW viene a costare quindi circa 700000 €. Il costo di gestione per i primi 5 anni si aggira sui 0,45 cent €/kWh per poi crescere negli anni. Il costo di produzione invece si assesta nelle condizioni migliori dai 3,5 ai 4 cent €/kWh.

CONSEGUENZE OSTACOLI ALLA DIFFUSIONE DELLE FONTI RINNOVABILI Un ostacolo molto grande che impedisce alle fonti di energia rinnovabile di emergere in maniera consistente e’ dato dall’intermittenza delle fonti L’energia rinnovabile e’ scarsamente vettoriabile verso altri settori di consumo rimanendo cosi’ confinata in quello elettrico CONSEGUENZE L’alterazione delle condizioni di equilibrio dinamico della rete che possono provocare anche il blocco di intere porzioni della rete

POSSIBILE SOLUZIONE A QUESTI OSTACOLI ACCUMULO DI ENERGIA

…LE PROSPETTIVE FUTURE Una soluzione che si sta sperimentando e che sta riportando esiti positivi per quanto riguarda i sistemi di accumulo e’ l’idrogeno ESEMPIO DELL’UTILIZZO DELL’IDROGENO