Previsione del diagramma di carico per il dimensionamento di una mini-grid in Paesi in via di sviluppo

UNIVERSITÀ DI PISA

SCUOLA DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ENERGETICA

Tesi di Laurea

Previsione del diagramma di carico per il dimensionamento di

una mini-grid in Paesi in via di sviluppo

Relatori Candidato

Prof. Giglioli Romano Fratiglioni Diletta

Ing. Fioriti Davide

Ing. Gambino Valeria

Prefazione

Oltre due miliardi di persone nel mondo vivono in aree a povertà energetica; più di un miliardo non accede all’energia elettrica. La costruzione di mini reti permette di sopperire a questa carenza che limita lo sviluppo delle popolazioni, per la maggior parte residenti in villaggi rurali. Dimensionare le mini reti è un processo difficile ed incerto, non disponendo di uno storico che permetta di ipotizzare un diagramma di carico e l’evoluzione nel tempo.

L’obiettivo del lavoro svolto è quello di stimare la domanda di carico elettrico per una tipologia di villaggio rurale a partire dall’analisi delle caratteristiche geografiche, economiche e infrastrutturali rese disponibili da organizzazioni attive in questi contesti.

La prima analisi è stata rivolta a determinare la forma del diagramma di carico; in secondo luogo, stimando le necessità primarie del contesto valutato, ne è stata ipotizzata la grandezza.

Al sistema elettrico ipotizzato è stato affiancato un sistema idrico e di potabilizzazione delle acque, di cui è stato proposto un dimensionamento preliminare per valutare l’impatto dell’utilizzo di storages idrici adeguati.

Con il metodo Particle Swarm Optimization (PSO) è stata valutato il dimensionamento di una mini grid adeguata al carico proposto, attraverso la minimizzazione del Net Present Cost (NPC), che tiene conto di costi capitali (CAPEX) e operativi (OPEX).

Indice

Introduzione... 1

1.Soluzioni off-grid ... 6

1.1 Energy Kiosk ... 9

1.3 Mini-Grid ... 11

1.3.1 Mini grid ibride ... 13

1.3.2 Configurazioni delle mini-grid ... 14

1.3.3 Modelli di gestione di una mini- grid ... 16

2. Stima della domanda ... 21

2.1 Prima fase: individuazione del contesto ... 30

2.2 Seconda fase: individuazione dei bisogni ... 31

2.2.1 Acqua potabile ... 31

2.2.2 Illuminazione ... 43

2.2.3 Cooling ... 46

2.2.4 Settore sanitario ... 48

2.2.5 Settore educativo ... 51

2.2.6 Comunicazione ... 52

2.3 Terza fase: forma del digramma di carico ... 54

3.Dimensionamento di una mini-grid ... 61

3.1 Strategie per la gestione ... 64

3.2 Algoritmo PSO ... 67

3.2.1 Fuel procurement strategy ... 69

3.2.2 Schema logico dell’algoritmo ... 71

4.Caso studio: Uganda, distretto Arua ... 73

4.1 Uganda: settore elettrico ... 74

4.2 West Nile ... 80

4.3 Distretto di Arua, Ewata Village ... 85

4.3.1 Carichi elettrici ... 87

4.3.2 Carichi idrici ... 92

4.3.3 Risultati ... 96

5. Conclusioni ... 103

1

Introduzione

La fornitura di energia, sicura, affidabile e tecnologicamente avanzata per tutti è la base per lo sviluppo e la riduzione della povertà.

Storicamente, il miglioramento delle condizioni economiche di un Paese è stato sempre legato al passaggio da un’economia agraria ad una manifatturiero-industriale: questo non solo ha modificato il settore produttivo in sé, ma anche quello energetico.

Più un Paese si arricchisce, più diminuisce l’utilizzo di combustibili fossili tradizionali come le biomasse a vantaggio dell’energia elettrica.

Tuttavia, l’obiettivo di estendere a tutti, indistintamente dalla collocazione geografica e geo politica, questo bene primario, non è stato ancora raggiunto.

Negli anni 2000 il numero di persone senza accesso all’energia era di 1 .700 milioni. Valore, questo, nel 2016, che è diminuito fino a raggiungere 1.100 milioni di persone.

Fig.1 Numero di persone senza accesso all’energia per regione

I progressi maggiori si sono registrati in India, dove si è nota una riduzione del 50%. In Africa, solo il 43% della popolazione ha accesso all’elettricità; come valutabile dal grafico, l’aumento demografico ha reso vani gli sforzi profusi per una strategia di elettrificazione fino al 2014. Ad oggi il trend è in calo, anche se le persone senza elettricità sono sempre 588 milioni (nel 2000, 518 milioni). In America Latina il 97% della

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popolazione ha accesso all’elettricità: la maggior parte delle persone che non hanno questo servizio vivono in zone rurali, in comunità isolate e difficili da raggiungere.

La IEA1 _{parla di accesso all’energia in questi termini "a household having reliable and}

affordable access toboth clean cooking2 _{facilities and to electricity, which is enough to}

supply a basic bundle of energy services initially, and then an increasing level of electricity over time to reach the regional average".(IEA, 2017)

La relazione tra sviluppo economico ed energia elettrica è complessa e varia con i contesti economici e geografici. In alcuni Paesi in via di sviluppo sono molte le persone che non hanno accesso al servizio elettrico ad essere sotto la soglia di povertà. Questo dato evidenzia che sussistono problemi strutturali come politiche insufficienti, infrastrutture deboli e alti costi di distribuzione.

Un accesso generalizzato all’energia ha bisogno di tecnologie accessibili e costi sostenibili, adeguati al contesto di utilizzo in linea con fattori storici e culturali legati all’area di interesse e durevoli nel tempo.

Energia e Sustainable Development Goals

Nel settembre 2015, 193 Paesi hanno deciso di adottare i SDGs, ufficialmente definiti nell’Agenda per lo sviluppo sostenibile con decorrenza 2030.Una carenza di accesso all’energia rende difficile per un Paese affrontare le problematiche che gli si presentano : inadeguatezza delle strutture sanitarie (SDG 3), bassa qualità della struttura scolastica (SDG4), povertà (SDG1), scarsa produttività del settore agricolo ( SDG 2) che non è in grado di far fronte né ai bisogni minimi per la sopravvivenza, né ai cambiamenti climatici in atto (SDG 11).

Un’analisi accurata (IEA, 2017) ha mostrato come non è stata adottata una strategia unica per aumentare il numero di persone servite dall’elettricità, a causa delle risorse energetiche

1 _{IEA: International Energy Agency.}

2 _{Si fa riferimento a tecnologie con un adeguato sistema di smaltimento dei fumi che consumano gas naturale,} LPG, biogas o che utilizzano elettricità al posto di stufe a biomassa.

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disponibili, delle infrastrutture, delle istituzioni governative e delle aree geografiche interessate.

Tuttavia, nonostante le diversità, si registrano due risultati: il numero delle persone che ottengono l’accesso alla rete elettrica sta accelerando; l’utilizzo di fonti rinnovabili è in lento ma costante aumento.

Fig. 2 Numero di persone che hanno avuto accesso all’energia per tipo di fonte energetica

Dal 2000 al 2012, il 72% dell’accesso all’elettricità avveniva tramite combustibili fossili (il 44% sono giacimenti carboniferi). Le rinnovabili coprivano il restante 28%. Dopo il 2012 la quota rinnovabile è aumentata fino al 38% grazie alle risorse dell’area Sub-Sahariana, dove idroelettrico, geotermico e solare forniscono energia alla popolazione.

Area Sub - Sahariana

In questa area geografica risiede il 14% della popolazione mondiale, ma c’è solo il 4.5% della richiesta globale di energia primaria (619 Mtoe). Le biomasse solide coprono la metà di questa domanda, e vengono utilizzate prevalentemente per la cottura dei cibi. Il resto è sopperito da petrolio e derivati e carbone che è essenzialmente utilizzato per produzione di potenza in Sud Africa.

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Ad oggi sono installati 122 GW di produzione di potenza. Dato che ci si aspetta che raddoppi da qui al 2030, come mostrato nel grafico riassuntivo, Fig.3.

Fig. 3 Generazione di potenza installata nell’area Sub- Sahariana, 2016, e previsione per il 2030.

L’80% delle persone senza accesso all’elettricità vive in aree rurali, dove l’elettrificazione raggiunge solo il 25%, a differenza del 70% delle aree urbane.

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Dal 2012 al 2015 18 milioni di persone per anno hanno avuto accesso alla rete elettrica, che è stata ampliata sfruttando le risorse rinnovabili del grande idroelettrico, e geotermico (caso Kenya).

Tuttavia, un aspetto interessante, che si aggiunge all’ampliamento delle rete nazionale, è quello che riguarda i sistemi di fornitura elettrica decentralizzati, che si sviluppano in aree che non sono facilmente raggiungibili dalle infrastrutture.

Nell’ottica delle nuove politiche energetiche, gli investimenti nel settore saranno finalizzati contemporaneamente a finanziare i sistemi on-grid e off-grid basati sull’utilizzo di fonti rinnovabili.

Fig. 5 Percentuale di accesso all’energia elettrica in termini di connessioni e risorse, 2017-2030

Il numero di persone che ha avuto accesso alla rete tramite sistemi decentralizzati è aumentato anche grazie alla riduzione dei costi: come risultato, nel 2030 il 20% dei nuovi utenti useranno soluzioni off-grid come Home System con solare o eolico nell’area Sub-Sahariana dell’Africa dove si concentra la maggior quantità di persone che non ha accesso all’elettricità, e l’ 11% soluzione mini grid. (IEA, 2017)

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1.Soluzioni off-grid

I sistemi off-grid non sono nuovi nel panorama energetico mondiale, basti pensare ai generatori Diesel in uso ovunque che hanno il merito di portare elettricità laddove non esistono reti oppure quelle esistenti sono inaffidabili. Il cambiamento a cui stiamo assistendo riguarda la fonte energetica usata: le rinnovabili sono meno costose, meno inquinanti, e non rendono l’utente dipendente dall’importazione di combustibile e dalla aleatorietà di suoi prezzi. Il primo avvento della generazione distribuita è stato frenato dall’avanzare delle reti in corrente alternata e il miglioramento tecnologico dei grandi impianti di produzione ha contribuito alla creazione di grandi centrali elettriche e reti di trasmissioni estese, dando vita ad un sistema centralizzato. Questo approccio è stato seguito non solo nei Paesi industrializzati ma anche nei Paesi in via di sviluppo, che però non hanno creato un piano di elettrificazione nazionale vero e proprio.

Il fattore che influenza maggiormente la scelta di non elettrificare le zone lontane dalle città che sono servite dalla rete elettrica è il costo specifico sia in termini di km di linea di trasmissione (secondo i dati riportati da World Bank, per esempio, il costo dell’estensione della rete va dai 6.340 $/km in Stati densamente popolati come il Bangladesh fino ai 19.070 $/km in Paesi come il Mali), sia in termini di kWh.

Per rendere conveniente l’utilizzo della rete nazionale in aree remote si dovrebbero fornire grandi quantità di energia: le aree rurali richiedono una relativamente bassa domanda di kWh, tanto da renderle poco interessanti come fruitori delle estensioni del sistema elettrico. Anche la tipologia di territorio e la vegetazione presente aumentano i costi significativamente: montagne e foreste rendono difficile l’utilizzo di macchine da lavoro e richiedono più risorse, in termini di tempo e denaro, per installare le linee di trasmissione. L’estensione della rete aumenta la domanda, ma se non c’è un conseguente aumento della capacità di generazione, aggiungere nuovi utenti peggiora la situazione esistente e riduce la qualità del servizio. Inoltre, spesso, si verifica che la popolazione possa avere accesso all’elettricità solo durante limitate ore del giorno e sono comuni blackout non controllati. E’ un dato di fatto che i governi di Paesi in via di sviluppo ripongano le attenzioni per la maggior parte su zone urbane dove le attività economiche sono più concentrate: estendere la rete nazionale è costoso.

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Già dagli anni 80, l’introduzione delle liberalizzazioni ha scalfito la supremazia del sistema generalizzato della fornitura elettrica.

Le ragioni che hanno contribuito all’ascesa della generazione distribuita, inserita in un contesto liberalizzato, soprattutto in zone rurali in Paesi poveri, sono state:

 accessibilità: la generazione su piccola scala, soprattutto basata su fonte rinnovabile, è adatta alle zone remote dove i costi rendono meno appetibili le reti nazionali;  domanda di carico: le aree rurali, specialmente quelle non elettrificate, hanno basse

richieste di carico, e possono essere usati, per questo, sistemi distribuiti di piccole taglie;

 lotta alla povertà: a partire dal 1995 con i Millennium Develoment Goals, fino ad oggi con i SDGs, si è posta l’attenzione sul valore aggiunto dell’energia elettrica come veicolo di ricchezza, in grado di combattere la povertà diffusa;

 leapfrogging: l’idea che le moderne tecnologie debbano essere messe a disposizione dei Paesi in via di sviluppo, bypassando le tecnologie obsolete, è sempre, nonostante le critiche, all’avanguardia. Il PV è, nelle zone rurali ,un esempio di leapfrogging. (Mandelli et al., 2016).

In mancanza di un piano di elettrificazione nazionale, la presenza dei sistemi off grid non è una scelta, ma una necessità.

I vantaggi maggiori che la popolazione può trarre dall’uso di sistemi autonomi sono riportati di seguito, facendo riferimento ad un sistema di valutazione, User Perceived Value Game (UVG) che è stato usato in sette villaggi dell’Uganda per chiarire la percezione che le persone hanno di queste tecnologie.(Hirmer and Guthrie, 2017)

1. facilità di comunicazione: risparmio di tempo, accesso a servizi bancari;

“This is very important because it makes communication easier

[facilitazione nella vita quotidiana] [comunicazione]. It is not like a long time ago when we used to send letters, which would take a long time to reach the

recipient [modernizzazione] [risparmio di tempo]. I use my phone to get money from my relatives and also to send money. I can use a phone

to get money even when I am stuck and don’t have money for transport [accesso ai servizi bancari]

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2. informazione e intrattenimento nelle ore libere; 3. aumentare la coscienza critica e la partecipazione;

“Radio helps in sensitising the nation on various issues like health, education, religious and political purposes [partecipazione]. Music can be listened to after work hence relaxation [tempo libero]

[comfort]. Listening to announcements thus knowing the

local and international events around the world [accesso all’informazione]”.

(Donna, a proposito dell’uso della radio)

4. Sicurezza di approvvigionamenti del cibo, salute;

“This can help me save a lot of money that I was taking somewhere

else because I am able to grind my own maize and millet [aumento della produttività] and also make money from the community

people who bring their food stuffs to be grinded hence becoming

employed and income generating for the family as well [opportunità di impiego ]. A maize mill saves time because pounding manually

takes long [benefici di tempo]”.

(Uomo, a proposito dell’uso di sistemi di supporto alle attività lavorative)

5. Sicurezza negli spostamenti notturni, aumento delle attività nelle ore serali;

“Security light helps to see thieves in the streets [sicurezza] and

hence fosters economic development as theft rate is lowered as well as unnecessary injuries from snakebites during

darkness ”.

(Uomo, a proposito delle luci pubbliche)

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1.1 Energy Kiosk

E’ una soluzione utilizzata nella fase di “pre-elettrificazione”: si basa più sul concetto di

“retail store” che su quello di fornitura elettrica tradizionale. E’ dotato di carica-batterie per telefoni cellulari, per macchine, e in alcuni casi ha dei set di batterie portatili (PBKs). I PBKs hanno più porte di accesso per consentire la ricarica di telefoni cellulari e luci. Se le taglie delle batterie sono maggiori possono consentire anche altre applicazioni, come ventilatori e radio. Le taglie variano dai 3 Ah, fino ai 48 Ah, a 6-12 V. (Louie , Henry et al., 2015). Il layout ed il design di tutte le tipologie di kiosks sul mercato sono simili. Le risorse rinnovabili che sono utilizzate possono essere diverse, ma la maggior parte delle strutture sono alimentate a solare PV. Consistono di uno o più pannelli installati su una struttura pre-esistente o provvisoria, una batteria per il backup e un controllore di carica. La taglia della maggior parte dei kiosks installati varia da 80 W a 2 kW. Se ne registrano alcuni anche con capacità superiori fino ai 20 kW.(Hartl, 2014)

Fig. 6 Esempi di layout di solar kiosk: (da sinistra) design sviluppato da compagnie come Solakiosk3, HERi4; container; struttura esistente; mobile Kiosk.

3 _{Solarkiosk GmbH: è una compagnia tedesca che costruisce ed installa energy kiosks in Etiopia, Kenya e} Botswana dal 2011. http://www.solarkiosk.eu/

4 _{HERi Madagascar: è una cooperativa fondata nel 2012 in Madagascar, che installa solar kiosks nelle aree} rurali

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Il kiosk ha bisogno di avere energia elettrica prevalentemente nelle ore diurne, anche se, talvolta, il servizio è prolungabile anche alle ore notturne. La presenza di un gestore è necessaria, sempre, per interfacciarsi con le persone che usufruiscono del servizio. I pagamenti avvengono in loco: le tariffe variano in base al tempo di carica del dispositivo, o alla grandezza della batteria.

1.2 Electricity Home System

Questi sistemi sono progettati per singole abitazioni o attività commerciali ed edifici pubblici e hanno il vantaggio di essere relativamente economici e di facile funzionamento e manutenzione. Queste soluzioni sono competitive nel caso di insediamenti rurali isolati, con buona presenza di fonti rinnovabili. In questi casi il sistema di generazione è distribuito e non ci sono costi né di trasmissione né di distribuzione. Tuttavia, per contenere i prezzi dei componenti, devono essere installate taglie ridotte che alimentino le applicazioni in DC per l’illuminazione e la comunicazione. In ordine di potenza crescente si parla di: PPS (PycoPowerSystem), DC/AC SHS (Solar Home System),SRS (SolarResidentialSystem),per i sistemi ad energia solare.(ARE5, 2011).

Fig. 7 Tabella comparativa dei sistemi EHS esistenti

Gli EHS non sono solamente limitati alle installazioni PV. Con costi di investimento differenti, e per diverse applicazioni, si possono utilizzare anche small wind turbine (SWT) con potenza massima di 50 kW(WSH). Producono corrente in regime alternato, che deve

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essere portata in DC tramite un raddrizzatore e possono essere utilizzati in collegamento diretto con la rete oppure per ricaricare delle batterie. Per il corretto dimensionamento e posizionamento delle turbine sarebbe opportuno una raccolta dati al minimo per un anno. Tuttavia, i costi alti e il tempo richiesto per fare le misurazioni non rendono questa parte della progettazione attuabile in rapporto alla taglia che viene installata, e i progettisti bypassano questa fase.

1.3 Mini-Grid

Questa opzione è interessante in particolar modo per villaggi isolati o piccole città lontane dalla rete nazionale e che non hanno nell’immediato futuro una concreta possibilità di agganciarsi alle rete.

Le mini-grid garantiscono un servizio continuativo equivalente a quello fornito dalle reti nazionali nei Paesi in via di sviluppo. Inoltre sono progettate per fornire potenza per i bisogni abitativi (illuminazione, comunicazione, refrigerazione, fornitura di acqua), così come per i servizi pubblici (ospedali e scuole), e per le attività economiche ed il loro sviluppo (sistemi di irrigazione, torri di telecomunicazione).

Oltre ad essere una soluzione adatta alle comunità isolate, offre anche ulteriori vantaggi: a causa delle sua natura modulare, può essere aumentata la potenza fornita, se cresce la domanda e può essere potenzialmente attaccata alla rete nazionale ed essere usata come generazione di potenza addizionale.

EHS MINI GRID

Numero di utenti Utenti singoli (case, uffici

commerciali, uffici pubblici)

Intere comunità (da 5 abitazioni a >100)

Potenza 20-250 W SHS

100-5000 W WHS

5-500 kW

Locazione Aree scarsamente popolate

lontane dalla national grid

Aree mediamente popolate lontane dalla national grid;

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piccole isole; ibridizzazione di Mini-Grid Diesel esistenti. Usi DC e AC (Prevalentemente DC) -illuminazione privata e pubblica; -Carica-batterie; -Radio-TV; -Ventilatori: -Piccoli frigoriferi DC DC e AC (prevalentemente AC) -Illuminazione pubblica e privata; -Impianti idrici; -Servizi sanitari; -Macchine utensili

Preparazione preliminare - Nessuna per PPS;

-Dimensionamento corretto per sistemi di taglia maggiore

Preparazione complessa: stima della domanda, dimensionamento,

formazione di personale specializzato

O&M La manutenzione minima

può essere effettuata dagli utenti; la manutenzione straordinaria va effettuata tramite tecnici specializzati in competenze base.

Tecnici specializzati. La capacità della rete è tale da giustificare anche la presenza di un tecnico fisso.

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1.3.1 Mini grid ibride

Le mini grid ibride combinano minimo due tipologie di generazione di potenza: la fonte principale è rinnovabile (RETs), o un mix di rinnovabili; il backup è fatto con un generatore Diesel, che può essere sostituito con biofuels o LPG. .La vita di un generatore Diesel che lavora continuativamente è 3-5 anni. (ARE, 2016).Tuttavia, nei sistemi ibridi, cercando di consumare meno combustibile possibile, si riesce ad aumentare la vita del componente fino a 20 anni. Per aumentarne l’efficienza, è necessario che lavorino a pieno carico.

Il fatto di usare più tipi di fonti combinate insieme permette di beneficiare dei vantaggi di ciascuna delle tecnologie impiegate.

Le rinnovabili hanno il vantaggio, essendo fuel-free, di non essere soggette alla variabilità dei prezzi petroliferi. I gruppi elettrogeni sono controllabili, possono fornire energia quando richiesta in caso di bisogno e non necessitano di progettazioni complesse per la loro messa in opera.

Complice la costante riduzione dei costi delle tecnologie di produzione rinnovabil, con la soluzione ibrida è possibile sfruttare le risorse energetiche locali in maniera ottimale. Il sistema risulta maggiormente stabile se sono anche presenti delle batterie, che garantiscono la fornitura di energia elettrica quando la produzione da rinnovabile risulta insufficiente. I due fattori che influenzano la fattibilità di questo scenario sono: il costo del sistema e la qualità del servizio.

100% Diesel 100% rinnovabile

Vantaggi Il generatore Diesel è

dispacciabile sempre, se il carico ne ha bisogno.

Non ci sono emissioni in atmosfera;

L’impatto acustico è ridotto al minimo (small wind turbines).

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Svantaggi Una quota dei costi

operativi è variabile con il prezzo del combustibile; Il contesto rurale in cui i generatori sono inseriti non garantisce un vantaggio: la reperibilità del combustibile non è sempre garantita e i tempi per il trasporto sono aumentati a causa della scarsa viabilità;

Sono rumorosi ed inquinanti;

Hanno impatti sulla salute delle persone, perché sono spesso posizionati vicino alle abitazioni

La produzione da rinnovabili è soggetta a variabilità giornaliere, anche se può essere predetta su una base dati storica;

Hanno necessità di uno storage chimico che garantisca il servizi; rispetto a sistemi ibridi o fossili,

devono essere

sovradimensionati, per permettere allo storage di ricaricarsi. Questo aumenta il prezzo dell’energia e riduce il ciclo vita delle batterie.

Tab.2 Confronto tra mini-grid Diesel e mini-grid rinnovabile

1.3.2 Configurazioni delle mini-grid

La scelta del tipo di configurazione delle mini grid dipende dalle tecnologie utilizzate nel sistema e dalla strategia operativa prevista in fase di progettazione. Il PV produce corrente in DC, così come le batterie, mentre la maggior parte delle tecnologie elettromeccaniche per la produzione di energia, come piccolo idroelettrico e mini eolico, produce corrente in AC. Un DC bus bar è più adatto nel caso in cui la batterie siano la componente principale del sistema elettrico .I sistemi, spesso, però, si costruiscono con un sistema AC bus bar, perché più flessibile ed espandibile anche se la progettazione è più complessa .I costi sono confrontabili.(ARE, 2016)

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La distribuzione può avvenire in mono-fase o tri-fase. L’uso della tri-fase permette la connessione di applicazioni con più alto consumo energetico, come le macchine utensili. Ha anche altri vantaggi come la possibilità di connettere in un secondo momento la mini-grid ad una rete nazionale esistente (se la tensione è la stessa). E’ però più complessa e ha bisogno di più componenti.

Tuttavia, se la linea tri-fase è maggiormente flessibile, la mono-fase ha comunque i propri vantaggi: il carico non deve essere bilanciato e i costi sono ridotti. Invece di disegnare un sistema tri-fase si può pensare a un sistema monofase e poi investire in un convertitore per i carichi che richiedo questo tipo di distribuzione.

 Generazione elettrica in DC bus bar

Fig. 8 Configurazione DC bus bar

 Generazione elettrica in AC bus bar

16  Generazione elettrica ibrida

Fig .10 Configurazione ibrida

1.3.3 Modelli di gestione di una mini- grid

I modelli di gestione operativa descrivono la struttura organizzativa di una mini-grid: chi possiede il comparto produzione e l’assetto della distribuzione, chi fa manutenzione e gestiste operativamente il sistema e le relazioni con gli utenti.

Non esiste un modello che ha avuto più successo di un altro: la geografia del sito, l’ambiente naturale, le risorse energetiche ed il clima, insieme al contesto socio economico e le politiche per l’ambiente governative, diversi caso per caso, li rendono tutti applicabili.

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Fig. 11 Sostenibilità finanziaria per kWh/anno

Le mini grid hanno due enti operativi: gli SPP (Small Power Producer) e gli SPD (Small Power Distributors).

 Utility model

Il servizio pubblico possiede produzione e generazione e si occupa di tutto quello che riguarda gestione, manutenzione e organizzazione. I fondi sono garantiti dalla tesoreria dello Stato.

 Private model

Gli SSP e SPD sono privati che gestiscono la mini-grid sotto la supervisione dello Stato(regulated-1), oppure totalmente indipendenti(unregulated-2)

 Hybrid model

I privati possiedono la produzione di energia e lo Stato ne organizza e gestisce la distribuzione o viceversa; oppure un ente privato vende l’energia che un ente statale produce e distribuisce.

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 Community model

I membri della comunità gestiscono la generazione e la distribuzione con il supporto di una compagnia privata oppure di un’organizzazione non governativa che si occupa di formazione del personale e dell’aspetto gestionale-economico. Questo modello di business è una soluzione adottata nelle aree isolate, dove il settore privato non è attratto da investimenti. Tuttavia, perché questo tipo di organizzazione funzioni, è necessario del tempo e una istruzione adeguata della popolazioni.

Pro Contro

Utility model I fondi sono reperibili

facilmente;

È più facile che la mini-grid si connetta alla rete nazionale perché i gestori sono gli stessi (lo Stato); Si usano tariffe agevolate;

Gli investimenti sono limitati;

Non c’è personale adeguato a gestire piccole realtà; Interferenze politiche; Possibile presenza di corruzione negli appalti;

Private model 1 Ci sono tecnici specializzati, con alte competenze;

L’investimento privato induce gli operatori ad agire in maniera efficiente; La sicurezza legale di un ambiente regolamentato dallo stato attrae investimenti;

Lentezza nell’approvazione di procedure che devono passare al vaglio statale; Sono necessari prestiti che causano indebitamenti; Vulnerabilità ai cambi di politiche energetiche; Conflitti con gli utenti per i cambi di tariffe imposti dallo Stato;

Private model 2 Le operazioni sono più

veloci a causa della mancata interferenza;

Non c’è finanziamento pubblico;

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È impossibile o difficoltosa una interconnessione tra reti;

Tariffe non supervisionate dallo Stato possono creare degli aumenti insostenibili dalla popolazione;

Conflitti a causa del monopolio;

Community model Crea posti i lavoro;

Sviluppa capacità organizzative e porta sviluppo economico; Crea infrastrutture; Competenze locali insufficienti;

Le tariffe non coprono le spese di O&M;

Interferenza di famiglie all’interno della gestione;

Tab.3 Confronto tra modelli di gestione di mini-grid

Tariffazione e guadagni

I ricavi, in una mini grid, si ottengono da: tariffazione, tassa di connessione, e incentivi. Le tipologie di tariffe sono: a consumo, per quota potenza, per tipologia di servizio.

Energy based tariffs

Dipendono dal consumo effettivo dell’energia che viene quantificata con un contatore. Per esempio: in Bangladesh il costo di connessione(a parte) è di circa 50 EUR, quello operativo è di 0,28 EUR/kWh.(RECP6_{, 2012)}

6 _{The Africa-EU Renewable Energy Cooperation Programme (RECP) è un programma che supporta lo} sviluppo del mercato delle energie rinnovabili in Africa. E’ stato fondato da 35 ministri provenienti dall’Europa e dall’Africa, riuniti nella AEEP (Africa-EU Energy Partnership).

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Power based tariffs

Sono basate sull’aspettativa di impiego di potenza che determina i kW disponibili per ogni utente. Può essere anche connessa al numero di applicazioni (bulbi luminosi, per esempio) che l’utente ha in progetto di installare.

Fee-for service tariffs

Si basano sul servizio offerto e non in più sui kWh.Per esempio: servizio TV: 0.68 EUR per ora a persona.

Tutte le tariffe possono essere pre-paid o post-paid. Le prime danno sia ai consumatori, che ai possessori della mini grid una maggiore sicurezza. In Africa, questi prepagamenti sono visti in maniera positiva sulla scia dei prepagamenti per l’uso dei cellulari.

Le quote di connessione sono una garanzia per i possessori della rete, ma devono essere sostenibili dalla popolazione. La maggior parte degli utenti non sono in condizioni economiche di poter pagare in una rata sola una quota che si aggira tra i 60-250 EUR. Si usano, in questi casi, finanziamenti, oppure si suddividono le spese in rate, includendo i costi dell’allaccio nelle tariffe.

In generale, la quantità dei sussidi influenza le tariffe, la sostenibilità dell’investimento e la buona riuscita dello stesso. Più alti sono i sussidi, minori sono le tariffe e più persone possono accedere alle mini grid, ma minori sono i progetti che possono essere finanziati, o sostenuti parzialmente dallo Stato, se la quota destinata allo sviluppo delle mini-grid è fissata. Per le mini grid i sussidi possono essere offerti durante la progettazione, nella fase di pre-investimento, nello studio di fattibilità, oppure durante la costruzione della rete come sussidi capitali o per le connessioni, oppure durante in funzionamento (sussidi per la manutenzione, tariffe agevolate); possono anche essere concessi solo se si raggiunge una cera quota di kW installati.

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2. Stima della domanda

Il processo di dimensionamento che comprende la scelta delle taglie dei componenti, e anche le valutazioni finanziarie di una mini-grid consiste inizialmente in una raccolta di dati, che descrivano il contesto di inserimento. Non esistono metodologie standard che possano essere applicate in tutte le situazioni, ma solamente degli accorgimenti che devono essere presi in considerazione e adattati caso per caso, perché villaggi e comunità differiscono in termini di bisogni e condizioni naturali.

Fig.12 Diagramma a blocchi del processo di dimensionamento

ESMAP7 _{si approccia alla definizione della domanda di carico in questi termini: “. . . making}

load projections that reflect reality is frequency a difficult task to accomplish, especially for perspective consumers who have little experience with electrification” (ESMAP, 2000).

7 _{ESMAP: Energy Sector Management Assistance Program. E’ una società amministrata da World Bank,} fondata nel 1983, che si occupa di assistere i Paesi poveri e in via di sviluppo con competenze tecniche per sviluppare il settore energetico.

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Il comportamento delle persone nei confronti dell’energia cambia da prima dell’elettrificazione sistematica, a dopo. Le cause di questa differenza si devono ricercare nel fatto che le popolazioni in questione non hanno mai avuto familiarità con questo tipo di servizio che permette loro di avere a disposizione un bene primario come l’energia elettrica in tutte le ore del giorno e della notte, senza restrizioni, in condizioni di funzionamento standard.

Anche in una fase di pianificazione, che segue il progetto preliminare e che tiene conto di sviluppi futuri delle comunità, dobbiamo considerare la presenza o meno di personale specializzato che indirizzi la popolazione verso un consumo consapevole del bene di cui usufruisce.

Il problema della stima del carico è un elemento chiave della progettazione del sistema, tuttavia non sono presenti in letteratura report che validino o meno le stime effettuate dai progettisti in fase preliminare e che quindi promuovano una stima a discapito di un’altra.

Con le mini-grid pensate per zone ad alto indice di povertà che non hanno mai avuto familiarità con il servizio da esse fornito, non è possibile basare la stima del carico su un’analisi dei dati storici.

Recenti ricerche hanno stimato che gli errori di predizione in eccesso possono essere considerevoli, in media intorno al 305% (Louie and Dauenhauer, 2016) : gli impianti, per questo, risultano sovradimensionati.

Il problema principale dei sovradimensionamenti è la sostenibilità finanziaria, che è un fattore essenziale per il successo del progetto. Nei tempi brevi, gli scarsi ricavi hanno un effetto immediato sugli utenti, che dovrebbero quindi pagare di più. Tuttavia, la bassa disponibilità economica di cui essi dispongono limita i possessori della mini-grid di alzare i prezzi della fornitura elettrica, per far fronte alla minore effettiva richiesta. Se il carico non cresce come previsto, questa anomalia si traduce in un maggiore rischio di investimento e può rovinare finanziariamente il progetto.(Blodgett et al., 2017)

Una sotto-stima del carico, invece, va incontro a problemi tecnici che hanno a che fare con la qualità del servizio erogato e con il ciclo vita del componenti, in modo particolare delle batterie che sono erroneamente sollecitate.

I problemi connessi con una sottostima hanno anche implicazioni diverse: la mini-grid, per come è progettata, deve essere in grado di sostenere energeticamente non solo le abitazioni,

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ma anche le strutture pubbliche. I danni della mancata fornitura sono maggiori se nelle utenze sono presenti ospedali e attività lavorative che per continuare devono quindi servirsi della generazione da Diesel, rendendo vano lo sforzo di utilizzare fonti alternative.

Si parla di domanda elettrica attuale, riferendosi ad una quantità pari a quella fornita dai sistemi elettrici presenti al momento dell’inizio della progettazione. Quando la rete elettrica non è attiva e non ci sono sistemi off- grid installati, la domanda attuale è zero; se ci sono, invece, degli SHS o generatori Diesel che controllano il funzionamento di qualche device elettrico, allora la domanda attuale è pari alle taglie degli SHS/Diesel.

La domanda elettrica stimata è la quantità di elettricità che gli utenti consumerebbero se avessero la fornitura elettrica tramite mini rete al momento attuale. La stima viene effettuata tramite sondaggi, o similitudini con contesti che assomiglino alla condizione che volgiamo dimensionare.

L’effettiva domanda di elettricità tiene conto anche delle risorse finanziarie per sostenere la mini- grid: è la domanda in kWh che può essere effettivamente convertita in denaro da spendere. In questo caso la domanda viene stabilita attraverso l’acquisizione di dati economici e l’analisi dei consumi. La capacità di pagare per un servizio (ATP, Ability to pay) e la disponibilità a pagare (WTP, Willingness to pay) influenzano l’effettiva domanda elettrica.

La WTP è “the maximum amount that an individual indicates that he or she is willing to pay for a good or service”.

Questo parametro varia da utente ad utente e può essere valutato correttamente solo tramite sondaggi o misurazioni sul posto. Si parla di WTP “espressed” che si valuta chiedendo agli utenti che servizio desiderano, e quanto sarebbero disposti a pagarlo. Questo metodo porta ad una sovrastima di più del 50% perché gli utenti rispondo strategicamente non valutando le effettive loro capacità economiche ma solo il servizio che vorrebbero fosse fornito loro. La “reveled” WTP è determinata ponendo domande sul consumo elettrico effettivo e sulla spesa per servizi comparabili a quelli alimentati dall’elettricità.

In ogni caso, il WTP è soggettivo perché viene stimato con risposte singole a domande qualitative: non si può definire un valore in denaro preciso che siamo disposti a pagare, perché esso dipende dalla qualità del servizio offerto e dalle alternative valide presenti.

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L’ATP può essere calcolato sulla spesa corrente in energia (kerosene, batterie, diesel) che gli utenti sostengono ogni mese. La conoscenza di questo valore permette di determinare la taglia del sistema e in maniera adeguata le tariffe in proporzione ai bisogni e alle capacità finanziarie. Il non pagamento dell’elettricità può derivare sia dall’abbassamento del WTP a causa del basso servizio offerto, oppure dal calo dell’ATP per il basso introito mensile. In zone rurali molte persone hanno bassi redditi: il non pagamento delle tariffe è un problema concreto.

La domanda effettiva futura è la previsione della domanda effettiva di elettricità stimata considerando insieme alle valutazioni di carattere tecnico e finanziario, modelli di sviluppo socio-economico.

Una prima previsione della domanda effettiva negli anni a venire può essere fatta applicando un tasso di crescita lineare agli scenari attuali (20% - 40%) (GIZ, 2016). Gli scenari da considerare in una previsione futura sono:

 crescita della popolazione che significa aumento della domanda;

 produttività economica. Una crescita economica si traduce in un aumento della domanda elettrica;

 modelli di consumo tipici: un cambiamento nello stile di vita e nello status finanziario ( l’ aumento della producibilità influenza direttamente le necessità di elettrica per le attività lavorative e si stima che possa aumentare di conseguenza anche il benessere economico) può avere un riscontro nella crescita della domanda elettrica negli anni a venire. Dopo l’installazione della mini-grid si stima che si possa risparmiare sull’uso di combustibili acquistati in passato, e questo può portare ad un cambio di abitudini all’interno della comunità che vanno considerate per la pianificazione.

Si parla di:

crescita della base di utenza: questa crescita può essere definita sulla base di quella demografica e sull’aumento degli allacci alla rete (Electricity penetration rate);

crescita del consumo per categoria di utilizzo : questa valore indica l’aumento dei kWh consumati per le attività economiche e per l’aumento dell’ illuminazione pubblica come indice di un progresso infrastrutturale.

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La quantificazione di questi fattori è espressa in numeri assoluti (proiezione di quanto dovrebbe essere la capacità della rete in kW per anno), o come valore percentuale (crescita annuale). Le proiezioni, in un’ottica di pianificazione, devono essere fatte per almeno 5 anni dopo l’installazione, per analizzare la sostenibilità tecnica ed economica del progetto.

La previsione della curva di carico elettrico è la fase più critica, perché da essa dipende il corretto dimensionamento della mini grid. Gli standard di approccio utilizzati in letteratura sono descritti di seguito.

 Black-box approach

Il primo approccio è estremamente semplicistico: è una stima di dati di input secondo un modello black-box.(Ghafoor and Munir, 2015)

Nella teoria dei sistemi, un black box approach, è un sistema che, come una scatola nera, è descrivibile nel suo comportamento esterno, solo per come reagisce in uscita(output) ad una determinata sollecitazione in ingresso(input), ma il cui comportamento interno non è visibile, quindi ignoto.

Questa definizione si basa sul fatto che, nell’analisi di un determinato sistema, quello che è veramente importante a livello macroscopico, a fini pratici, è il comportamento esterno dello stesso, piuttosto che il funzionamento interno. Nel caso specifico della stima di domanda di carico di un contesto rurale in via di sviluppo vengono stimati, sulla base di conoscenze superficiali, i carichi standard di un’abitazione, associando ad ogni applicazione stimata, un numero di ore di funzionamento. Le ore non sono distribuite nella giornata, ma vengono sommati i carichi elettrici di ciascuna applicazione ottenendo come input del sistema da dimensionare una domanda giornaliera di energia espressa in kWh/d.

Non si ottiene, quindi, un vero e proprio diagramma di carico, ma solo una stima della richiesta in termini di kWh giornalieri.

Questo approccio è molto semplificato, ma richiede una scarsa conoscenza di dati specifici, la cui reperibilità non è banale.

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 Regressione

Un secondo approccio consiste nel ricavare un consumo giornaliero in termini di kWh/d analizzando i dati secondo una regressione, considerando variabili che riguardando la distribuzione demografica, il numero di persone presenti nelle abitazioni, la presenza di servizi igienici. (Fabini et al., 2014)

Nonostante un approccio statistico all’analisi dei dati più credibile e realistico, il risultato di studi di questo tipo è un valore numerico a cui non è associato nessun margine di errore.

 Il questionario

Un approccio consolidato alla stima della domanda di carico è lo strumento del questionario che dà una prima idea delle applicazioni presenti e di quelle che si potrebbero avere nell’immediato futuro nel villaggio, e l’arco della giornata in cui presumibilmente potrebbero essere usate.

Può essere utilizzato, però, nel caso in cui siano già presenti nel villaggio impianti elettrici di qualche tipo (SHS, gruppo elettrogeno…).

Le informazioni richieste sono di vario tipo: demografiche, tecniche ed economiche: (GIZ, 2016)

 tipo di utenza : attività manifatturiera, attività agricola, abitazione, scuola, ufficio pubblico, ospedale…;

 tipi di devices usati: lampade (LED), frigoriferi, ventilatori…;

 numero di applicazioni presenti e potenza elettrica delle stesse; tempi di utilizzo di ogni applicazione;

 ability to pay: guadagno mensile (USD), occupazione, costo mensile dell’energia (USD/kWh);

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Queste informazioni forniscono un quadro più chiaro del contesto in cui verrà installato l’impianto.

Un’altra sezione è quella del willingness to pay :  Cosa è importante per te?

 Quale applicazione utilizzi di più?

 L’elettricità avrà un impatto positivo sulla tua attività lavorativa?  Hai un SHS?

 Quanto sei soddisfatto della tua fornitura elettrica?  Il tuo SHS è in grado di far fronte alle tue necessità?

 Literature-based approaches

Questi metodi sono stati sviluppati per fornire una procedura strutturata alla stima di carico in zone rurali.(Mandelli, Merlo, and Colombo, 2016). Il primo valore aggiunto di questo modello è quello di riuscire ad ottenere come risultato finale non un valore numerico, ma un profilo di carico vero e proprio, ovvero, distribuito sulle 24h.

Come dati di input al modello sono necessarie delle conoscenze che possono prevedere anche l’uso del questionario citato precedentemente, oppure ricavate per esperienza personale nelle zone interessate, o ancora come similitudine con situazioni simili.

Vengono individuate j tipologie di utenti, e i tipologie di applicazioni.

Due approcci allo stesso metodo possono essere valutati: Lit_Appr1 e Lit_Appr2 Il primo è caratterizzato dalla condizione (1):

∑ 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛(𝑤_{𝐹,𝑖𝑗}) = ℎ_𝑖𝑗 ∀𝑖𝑗8 ₍₁₎

Lit_Appr1 considera per quanto tempo e quando le applicazioni hanno necessità della rete elettrica e non considera rapporti di contemporaneità.

8 _{Con 𝑤}

𝐹,𝑖𝑗si intende il periodo(s) durante il giorno in cui ogni applicazione i all’interno della classe id utenza

j è in uso: functioning windows ; con hij si intende il tempo totale in cui ogni applicazione i all’interno della classe j è in funzione durante il giorno(h) : functioning time.

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Lit_Appr2 è caratterizzato dalla condizione (2):

∑ 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛(𝑤𝐹,𝑖𝑗) > ℎ𝑖𝑗 ∀𝑖𝑗 (2)

Si calcola innanzitutto il consumo elettrico con la (3):

𝐸_{𝐿,𝑖𝑗} = 𝑃_𝑖𝑗 ∗ ℎ_𝑖𝑗9 ₍₃₎

La potenza che compare nel profilo finale è quella media calcolata (4) distribuendo l’energia consumata nella totalità della functioning windows :

𝑃_{𝑎𝑣,𝑖𝑗} = 𝐸 𝐿,𝑖𝑗

∑ 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 (𝑤𝐹,𝑖𝑗) (4)

Viene proposto un metodo che compensi le carenze dell’uno, con i benefici dell’altro, che è sviluppato in ambiente MATLAB nel software LoadProGen. Può essere schematicamente riassunto come segue:

 Ogni applicazione è modellata con un funzionamento on-off e viene considerato un tempo minimo di funzionamento 𝑑_𝑖𝑗 soggetto alla condizione (5):

𝑑𝑖𝑗 ≤ ℎ𝑖𝑗 ∀𝑖𝑗 (5)

 Sono introdotti dei parametri random 𝑅ℎ𝑖𝑗 e 𝑅𝑤𝐹,𝑖𝑗 che tengono conto della

percentuale diℎ𝑖𝑗 (7) e di 𝑤𝐹,𝑖𝑗 ( 6) che è soggetta a variazioni casuali:

𝑤_{𝐹,𝑖𝑗} = 𝑤_{𝐹 𝑖𝑗} + 𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜𝑚 (𝑤_{𝐹 𝑖𝑗} ∗ 𝑅𝑤_{𝐹,𝑖𝑗}) (6)

ℎ_𝑖𝑗 = ℎ_𝑖𝑗 + 𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜𝑚 (ℎ_𝑖𝑗 ∗ 𝑅ℎ_𝑖𝑗) (7)

9_𝑃

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 Viene definito un Power peack time ( 𝑡_𝑃,𝑗) per ogni classe di utenza che viene scelto secondo una distribuzione uniforme di probabilità all’interno della peack windows di ogni classe;

 Si assegna un fattore di carico per ogni classe di utenza secondo la (8).

𝑓𝐿,𝑗 = 𝐸𝐶,𝑗 24ℎ∗𝑃𝐿,𝑗

10 ₍₈₎

Fig. 13 Schema a blocchi dell’algoritmo

10𝑃

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2.1 Prima fase: individuazione del contesto

Non avendo a disposizione dati storici sui consumi elettrici di zone al alto indice di povertà, sono necessarie, per mancanza di informazioni, delle assunzioni preliminari che, solo in un secondo momento, potranno essere avvalorate o smentite da notizie che dovranno essere reperite sul campo.

Per quanto un profilo possa risultare accurato, ci sono degli errori di previsione che non possono essere eliminati ed ogni approccio è soggetto a un certo grado di soggettività.

In questo caso specifico viene elaborato un metodo per ottenere la forma un profilo di carico preliminare sulle 24h e non un consumo giornaliero di kWh/d, valutando i bisogni primari per organizzare una prima elettrificazione in un villaggio rurale.

La ricerca delle informazioni che sono necessarie per costruire un profilo di carico è complessa: i database di Paesi in via di sviluppo non sono sempre accurati ed aggiornati. La collaborazioni con enti locali si fa, per questo motivo, necessaria.

I dati minimi di cui dobbiamo disporre sono:

 Demografia

Si intendono con questo termine informazioni sulla distribuzione geografica delle persone; densità di popolazione; tipologia di contesto (urbano, sub-urbano, rurale); numero di persone per abitazione; tipo di occupazione del suolo (popolazioni stanziali, nomadi).

 Indicatori sociali

Sono questi, i dati che caratterizzano il contesto in cui si vuol progettare l’infrastruttura, e servono per capire quali sono le esigenze reali di cui le persone hanno bisogno.

Non avendo a disposizione informazioni particolareggiate tratte da questionari somministrati in loco, è opportuno individuare le attività economiche prevalentemente svolte; quali sono le necessità per il miglioramento delle condizioni di salute; tipologia di alimentazione (a cui è legata la conservazione alimentare, macchinari per la lavorazione dei prodotti, fornitura di acqua per usi produttivi…).

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 Contesto infrastrutturale

Dopo che è stata individuata la zona da analizzare, è necessario inserirla nel contesto, individuando reti di trasporti presenti, centri più grandi nelle vicinanze, rete di fornitura prodotti petroliferi e rete idrica (se presente).

 Contesto ambientale

Compatibilmente con i dati reperibili dalle stazioni presenti in loco, è necessario capire quali sono le risorse a disposizione della popolazione, in termini energetici puri, (insolazione, velocità del vento, presenza di corsi d’acqua) e in termini di falde acquifere (quantità e qualità), bacini di acqua dolce che possono essere sfruttati per usi agricoli.

2.2 Seconda fase: individuazione dei bisogni

Il SDG 1 parla di “End poverty in all forms everywhere” e si riferisce all’ accesso universale ai servizi primari con un’attenzione particolare alle popolazioni povere e vulnerabili. In questa ottica vengono individuate le necessità primarie.

2.2.1 Acqua potabile

Il SDG 6 parla di “Ensure availability and sustainable menagement of water and sanitation for all” e include riferimenti a tutti gli aspetti che riguardando il trattamento e l’uso di acqua corrente. Gli obiettivi da raggiungere sono: miglioramento del trattamento, riciclo e riutilizzo di acque reflue (6.3), aumento degli standard igienici (6.1), incremento dell’efficienza dei prelievi da sottosuolo (6.4), e protezione l’eco-sistema acquifero(6.5), nell’ottica di una gestione ottimizzata del sistema idrico (6.5).

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Fig.14 Accesso in termini percentuali di popolazione ai servizi minimi di fornitura di acqua

La classificazione dei livelli di servizio è così definita: (WHO;UNICEF, 2017)

Livelli di servizio Definizioni

Safely Managed Fornitura di acqua potabile con tecnologie sicure11_{, a disposizione negli edifici,}

sempre, senza contaminazioni biologiche e chimiche;

Basic Fornitura di acqua, in cui il tempo di approvvigionamento è stimato sui 30 minuti, incluso il tempo di attesa; Limited Fornitura di acqua con tempo di

approvvigionamento stimato maggiore di 30 minuti;

Unimproved Fornitura tramite un pozzo non protetto o una sorgente;

Surface Water Approvvigionamento di acqua direttamente da fiumi, dighe, laghi, o canali

Tab.4 Livelli di fornita di acqua secondo UNICEF

11 _{Con tecnologie sicure si intendono: tubazioni in pressione, pozzi da trivellazione, artesiani con fornitura} corrente o con serbatoi.

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 Quantità

La quantità di acqua necessaria per garantire una vita sana in situazioni di emergenza varia con il clima e con lo stato di salute delle persone. Di eguale importanza è l’aspettativa che le persone hanno. Il contesto è fondamentale: una comunità rurale può avere meno aspettative riguardo alla fornitura idrica rispetto a una comunità urbana con un livello medio di salute.

Come risultato si ottiene che più una comunità è povera meno, probabilmente, consumerà. Le persone usano l’acqua per svariate attività: alcune sono meno importanti di altre. Avere acqua potabile per bere è più importante dell’uso per l’igiene personale e dei propri abiti, ma in un’ottica più lungimirante dobbiamo considerare anche il valore aggiunto che acquisisce l’acqua per evitare il veicolarsi di malattie, per la loro prevenzione.

Fig.15 Gerarchia dei bisogni di acqua (WHO, 2013)

La fonte di fornitura di acqua non deve necessariamente essere la stessa per tutti gli usi. Possono essere usate bottiglie con soluzione di cloro come disinfettante, per bere e acqua di fiume/ruscello per lavare gli abiti. Come si nota dal grafico sopra riportato, la qualità dell’acqua di cui si necessita decresce con l’aumentare della qualità, perché ai bisogni minimi di sopravvivenza si aggiungono necessità secondarie.

In base a queste primarie considerazioni, si ritiene opportuno indicare come quantità di acqua giornaliera per persona: 50 lt.

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 La disinfezione

Esistono vari metodi di disinfezione che possono essere usati in Paesi in via di sviluppo: questa pratica è necessaria perché è una valida barriera al proliferare di malattie epidemiche o disturbi dell’apparato digerente che in contesti di precarietà sanitaria, di basso livello igienico, e di condizioni alimentari già povere, possono essere mortali. L’uso del cloro è la pratica più utilizzata. Insieme al cloro si annoverano anche lo iodio e il bromo, che fanno parte, anch’essi di una specie chimica conosciuta con il nome di alogeni. Lo iodio ha eccellenti qualità germicide e bassa reattività, e non conferisce all’acqua né odori particolari, né sapori, ma non è utilizzato in queste situazioni a causa del suo costo elevato. Il cloro è quello sfruttato anche nei sistemi a piccola taglia in forma di capsule solide.

Dei vari composti del cloro, l’ipoclorito (ione attivo OCl-_{) è quello più usato sotto forma di}

soluzione liquida o gas (comune nei Paesi industrializzati) per sistemi idrici più grandi. La differenza principale tra l’uso del gas e del liquido, a livello chimico, è che il gas riduce il Ph, rendendo l’acqua più acida, al contrario, il liquido lo aumenta: viene usato maggiormente il liquido per evitare effetti corrosivi sui tubi.

Un’altra ragione per cui si utilizza il liquido è la sua facile reperibilità e il fatto che si manipoli più facilmente. I composti più comuni da cui deriva l’ipoclorito sono: ipoclorito di sodio(Chlorine Bleach, in forma solitamente liquida), ipoclorito di calcio (HTH-High Test Hypochlorite, solida), e cloruro di calce (Bleaching Powder, in forma solida) (Harris 1992). Le ragioni della scelta di uno di questi agenti cloranti, sono date dalle quantità di cui si ha bisogno, dai costi di trasporto, e dalla stabilità.

 L’ipoclorito di sodio può essere usato in sistemi di piccola taglia e inserito manualmente nell’acqua nelle abitazioni. Può risultare tossico e potenzialmente corrosivo, rilascia gas, e perde il 10% di cloro in 10 anni. Può essere conservato non più di 4-6 settimane. Se non adeguatamente immagazzinato ha vita di 60-90 giorni;Se in appositi contenitori che lo mantengano al riparo da luce e calore, può resistere mesi. (Skinner, 2001)

 Il cloruro di calce contiene in media il 30% di cloro disponibile. Si decompone rapidamente alle alte temperature e alla luce. Va diluito in una soluzione al 2% di cloro prima di essere messo nell’acqua.

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 Ipoclorito di calcio è il composto più stabile, contiene il 60-70 % di cloro. E’ facile da trasportare e potenzialmente da conservare. Può essere acquistato in pasticche. Va conservato in container asciutti e aerati.

Fig. 16 Composti del cloro

Il costo diminuisce con la quantità acquistata, tuttavia, l’onere dello storage e la perdita di funzionalità nel tempo, specialmente per l’ipoclorito di sodio, riduce quello che era inizialmente in vantaggio di acquistare da subito, una grossa riserva di materiale.

I materiali per lo stock sono: vetro, plastica, gomma, e fibre di vetro.

Un’alternativa concreta all’acquisto e stoccaggio dell’ipoclorito, consiste nell’utilizzare l’elettrolisi e sfruttare come elemento di partenza non prodotti chimici complessi, ma NaCl. Il processo è noto come OSEC (OnSite ElectroChlorination) e genera ipoclorito di sodio, garantendone un regolare approvvigionamento, tramite elettrolisi della soluzione di NaCl ed acqua. Come input al processo sono necessari:

 elettricità (DC);  NaCl.

2NaCl + 2H2O  2NaOH + H2 + Cl2

2NaOH + Cl2  NaCl + NaOCl + H2O

Un dettaglio importante nel dosaggio dell’ipoclorito, è il suo valore residuo, dopo che l’acqua è stata disinfettata, messa in circolo nel sistema, e stoccata. Tuttavia non è sempre facile fare questo tipo di misurazioni e l’obiettivo di un residuo di (0.1- 0.5 mg/lt)(Key 2009)

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non è semplice da raggiungere, a causa di interruzioni del flusso di acqua, prolungata stagnazione negli storages , aumento di impurità.

Un dosaggio di 1-3 mg/lt, come prima stima, consente un residuo adeguato.

La modalità in cui funzionano le macchine che producono ipoclorito sul posto è prevalentemente batch (a ciclo). Ne esistono di tutte le taglie ed alcune che possono lavorare in continuo ma è necessaria la presenza di un acquedotto.

Fig. 17 Macchine per OSEC12

In ambito rurale si usano sistemi batch. Un operaio deve essere formato e ogni giorno la macchina produce cloro che:

1. viene venduto/distribuito agli utenti che manualmente lo usano;

2. viene inserito manualmente in un tank ogni intervallo predefinito di tempo, se esistono storages;

3. viene dosato con quantità dipendenti dalla portata con un pompa dosatrice che preleva la soluzione dal serbatoio in dotazione alla macchine e lo dosa nella rete o nei serbatoi preposti alla conservazione dell’acqua.

12_{La tecnologia WATA®, sviluppata per Antenna, converte NaCl, mediante elettrolisi, in Ipoclorito di Sodio.}

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 Pre- trattamento

Prima della disinfezione è necessario apporre un sistema di filtrazione. La maggior parte dei sistemi in uso negli ambienti rurali sono filtri meccanici che lavorano in base alle dimensioni delle particelle da eliminare. Questi metodi possono rimuovere componenti inorganici e metalli aggregati come i sali, ma non disciolti. Qualche filtro ha dei componenti a carboni attivi, che assorbono gli agenti chimici sulla superficie del carbone. Ma i metodi di assorbimento dipendono dalla superficie di contatto del materiale, e questa di solito non è sufficiente.

I metalli pesanti più comuni che causano danni alla salute sono cadmio, piombo e arsenico che sono disciolti nell’acque e non sono eliminabili con i filtri.

Dall’esperienza sul campo, possiamo dire che non solo un uso esclusivo di filtri è insufficiente, ma anche inefficiente.

Fig. 18 Metodi comuni di purificazione acqua

Il metodo che, in termini di efficienza, ottiene risultati migliori è l’osmosi inversa.

I pareri sull’utilizzo di questo meccanismo sono discordanti .I costi iniziali di investimento sono alti, sono necessarie pulizie frequenti dei filtri o sostituzioni. (Wimalawansa 2013) Tuttavia ,alcuni professionisti , basandosi su un’analisi economica, credono che una riduzione dei prezzi consentirà a questa tecnologia di essere competitiva e utilizzabile anche in Paesi in via di sviluppo (Shouman, Sorour, and Abulnour 2015).

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In letteratura si trovano analisi di impianti progettati ed installati in comunità rurali di Palestina (Mahmoud 2003),Sud Africa (Schoeman and Steyn 2003) e Brasile (De Carvalho et al. 2004).

L’osmosi inversa è il processo opposto all’osmosi: applicando una pressione idraulica (maggiore della pressione osmotica) con un pompa meccanica sul lato con acqua ad alta concentrazione di sostanze inquinanti, si forza il solvente a passare attraverso delle membrane semi-permeabili opponendosi al gradiente di pressione.

RO può filtrare acqua contaminata chimicamente, acqua proveniente dal sottosuolo, o acqua di mare, rimuovendo minerali, agenti chimici, tossine, sostanze disciolte o sotto forma di Sali

Fig.19 Percentuale di efficienza delle membrane RO

Le pressioni che si applicano per attiva la RO sono: (Wimalawansa, 2013)  15-27 bar per le acque del sottosuolo;

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I consumi di questo processo in termini energetici sono:

Fig. 20 Consumo energetico per processi di desalinizzazione (Bilton et al. 2011)

 Sistemi di pompaggio

La maggior parte delle pompe che sono in funzione in Paesi in via di sviluppo sono elettriche, con una piccola percentuale che è invece caratterizzata da pompe manuali, mosse da animali, o idrauliche e vengono usate esclusivamente per estrarre l’acqua dai pozzi.

In mancanza di rete elettrica, per applicazioni remote, si usano generatori Diesel sul posto, come fonte primaria di energia. Le soluzioni rinnovabili sono tuttavia una soluzione che sta diventando sempre più in uso in special modo a causa della difficoltà di approvvigionamento di combustibili fossili per via di complesse situazioni politiche e di prezzi non accessibili alle popolazioni locali.(UNDP13 , 2015)

Tecnologia Pro Contro

Manuale può essere costruita in loco; bassi costi di investimento; bassi costi di manutenzione;

perdita di tempo, sottraendo ora al lavoro manuale umano;

basso flusso;

inefficiente con i pozzi profondi;

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Forza animale bassi costi di manutenzione; costo per il nutrimento degli animali;

gli animali non sono sempre disponibili;

Vento può essere costruita in loco; lunga durata;

bassi costi di manutenzione; non c’è necessità di un operatore per il funzionamento; è difficile da installare; richiede un progetto preliminare;

alti costi di manutenzione;

Idraulica non c’è bisogno di un operatore;

bassi costi di manutenzione; lunga durata;

scarsa resa;

non adatta per tutti i siti; Difficile da mantenere;

Diesel installazione facile;

bassi costi di investimento; trasportabile;

modulabile;

alti costi di manutenzione; dipendente dal costi del petrolio;

rumore ed inquinamento ambientale;

vita breve; Solare lavora senza controllo di un

operatore;

bassi costi di investimento; modulare;

lunga durata;

alti costi capitali;

dipende dalla radiazione solare;

richiede tecnici specializzati

Tab.5 Tipologie di sistemi di pompaggio

Le due tipologie di pompe più usate sono sommerse o superficiali, a seconda del tipo di risorsa d’acqua, di portata e delle condizioni del sito di estrazione.

Le pompe superficiali servono per:

1. movimentazione acqua: portare l’acqua da un punto all’altro, ad alta o bassa pressione;

41

2. Pompe di pressurizzazione: mantengono in pressione le tubature all’interno di un edificio od un’abitazione.

3. Pompe booster: mantengono in pressione le tubature in piccole città e comunità.

Le pompe superficiali costano meno di quelle sommerse e sono adatte a una varietà maggiore di scopi. Quelle sommerse sono tuttavia le più utilizzate quando si deve estrarre l’acqua da pozzi profondi: si posizionano dentro al pozzo, in profondità, anche se esistono delle tecnologie che permettono di utilizzare pompe flottanti da posizionare sul livello dell’acqua. La maggior parte delle installazioni sommerse sono pompe centrifughe.

Tipo di pompa Prevalenza Portata m3_{/day Caratteristiche}

Centrifuga 0-80 6-20 Simili alle pompe

convenzionali

A rotore elicoidale 50-150 >20 Robuste

A diaframma 0-150 2-5 Complesse: molte parti in

movimento; servono

lubrificanti

Tab.6 Tipi di pompe sommerse e loro caratteristiche

La potenza della pompa di estrazione è calcolata come segue:

𝑃(𝑊) = 𝑄 ∗ 𝐻𝑛𝑒𝑡∗ 𝜌 ∗ 𝑔

𝜂 (9) con:

𝐻𝑛𝑒𝑡= altezza del dislivello al netto delle perdite;

Q = portata volumetrica in m3/s; 𝜂 = rendimento della pompa;

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 Storages

Il contesto di installazione di un impianto idrico rende necessaria la presenza di adeguati serbatoi per l’acqua. Sia per motivi di flessibilità del sistema elettrico, sia per motivi di sicurezza di approvvigionamento.

La volume installato di serbatoi è a discrezione del progettista, che deve tener conto della quantità di persone che devono beneficiare del servizio, delle caratteristiche del luogo:

 distanza dalla città più vicina dove possano essere dei recapiti per una riparazione;  che tipo di comunicazioni esistono tra villaggio e centri abitati più grandi;

 complessità del sistema da cui dipendono e le tipologie di riparazioni di cui potrebbe necessitare.

Fig. 21 Tank per acqua14

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2.2.2 Illuminazione

Le popolazioni che non hanno a loro disposizione l’elettricità utilizzano prevalentemente combustibili fossili per l’illuminazione.

Il combustibile più usato è il kerosene. Seguono: candele, biofuel (come il legno), concime animale, e residui da coltivazioni alimentari e generatori Diesel.

Fig. 22 Lampade tradizionali

Questi metodi di illuminazione tradizionale sono tipicamente molto costosi e allo stesso tempo pericolosi per la salute delle persone e inquinanti per l’ambiente.

Le implicazioni per la salute sono due: malattie respiratorie croniche a causa dell’inquinamento e rischio di incidenti a causa della natura infiammabile del combustibile. Le lampade al kerosene emettono particelle fini che danneggiano l’apparato respiratorio fino ai bronchi, portando malattie croniche come bronchiti, asma, TBC, malattie cardiache. Uno studio recente stima che un impiegato che lavora in Kenya in un ufficio dove si illumina tramite lampade al Kerosene inspira un livello di PM2.5 di 250 microgrammi/m3, che è sette volte il limite imposto da EPA15 _{sulle 24h e 17 volte quello annuale. (IFC}16_{&THE WORLD}

BANK 2010)

15 _{EPA: Environmental Protection Agency of USA, https://www.epa.gov}