Capitolo 2
Generalità sugli impianti di piccola potenza alimentati
da fonti rinnovabili
La realizzazione degli impianti per la generazione di energia elettrica deve avvenire nel pieno rispetto della normativa vigente circa l’esecuzione delle opere civili ed elettriche .
E’ ragionevole pertanto il ricorso alla procedura del silenzio assenso (legge 662/96) ; nell’ipotesi invece di installazioni in aree soggette a vincoli paesaggistici , ambientali , ecc. sarà necessario il rilascio di idonea autorizzazione .
Per quanto riguarda invece le norme di carattere elettrico , la realizzazione di impianti è regolata dalle norme CEI .
Più precisamente , devono essere rispettate le norme CEI 11-20 circa l’interfacciamento alla rete , le norme CEI 64-8 per quanto riguarda la sicurezza elettrica e le norme CEI 110-1 relativamente al contenuto di armoniche e alla compatibilità elettromagnetica dell’inverter (impianti fotovoltaici ed eolici ) .
2.1 Impianti Fotovoltaici
Gli impianti fotovoltaici fondamentalmente sono classificabili in:
1) impianti isolati (stand-alone):
nei quali l’energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico e , per la parte in eccedenza, viene generalmente accumulata in apposite batterie di accumulatori , che la renderanno disponibile all’utenza nelle ore in cui manca l’insolazione ;
Impianto “stand-alone”
2) impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione (grid-connected):
l’energia viene convertita in corrente elettrica alternata per alimentare il carico-utente e/o immessa nella rete , con la quale lavora in regime di interscambio.
Impianto “grid-connected”
Nel caso preso in esame in questa tesi interesseranno soltanto gli impianti collegati alla rete. Un impianto fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici , elettrici ed elettronici che captano l’energia solare , la trasformano in energia elettrica , sino a renderla disponibile all’utilizzazione da parte dell’utenza .
Esso sarà quindi costituito da un campo fotovoltaico , da un sistema di controllo e condizionamento della potenza e , per gli impianti isolati , da un sistema di accumulo.
Il rendimento di conversione complessivo di un impianto è il risultato di una serie di rendimenti , che a partire da quello della cella , passando per quello del modulo , del sistema di controllo della potenza e di quello di conversione permette di ricavare la percentuale di energia incidente che è possibile trovare all’uscita dell’impianto sotto forma di energia elettrica resa al carico utilizzatore.
Le caratteristiche degli impianti fotovoltaici “grid-connected”:
I sistemi fotovoltaici:
- sono modulari : si può pertanto facilmente dimensionare il sistema , in base alle particolare necessità , sfruttando il giusto numero di moduli ;
- non richiedono combustibile , né riparazioni complicate : questa è la caratteristica che rende il fotovoltaico una fonte molto interessante ;
- non richiedono manutenzione : è sostanzialmente riconducibile a quella degli impianti elettrici consistente nella verifica annuale dell’isolamento e della continuità elettrica.
Inoltre i moduli sono praticamente inattaccabili dagli agenti atmosferici e si puliscono automaticamente con le piogge , come dimostrato da esperienze in campo e in laboratorio. - funzionano in automatico : non richiedono alcun intervento per l’esercizio dell’impianto ; - hanno positive implicazioni sociali ;
- sono molto affidabili : l’esperienza sul campo ha dimostrato una maggiore affidabilità rispetto ai generatori diesel e a quelli eolici .
- hanno una elevata durata di vita : le prestazioni degradano di poco o niente dopo 20 anni di attività .
- consentono l’utilizzo di superfici marginali o altrimenti inutilizzabili
L’impatto ambientale:
Non causano inquinamento ambientale:
- chimicamente non producono emissioni , residui o scorie ;
- dal punto di vista termico le temperature massime in gioco raggiungono valori non superiori a 60 °C ;
- non producono rumori .
La fonte fotovoltaica è l’unica che non richiede organi in movimento né circolazione di fluidi a temperature elevate o in pressione , e questo è un vantaggio tecnico determinante .
L’impatto sul territorio :
Per rendersi conto delle potenzialità energetiche e dell’impegno di territorio legati ad una centrale di potenza , si consideri che l’area occupata da un sistema fotovoltaico di potenza pari a 1000 kW (cioè un MW, che produce circa 1.300 MWh/anno e che rappresenta , all’incirca , la potenza sufficiente a soddisfare le esigenze elettriche di 650 famiglie) è di circa due ettari, dove l’impegno di territorio è dovuto per il 50% alle aree occupate dai moduli e dalle parti del sistema, per l’altro 50% alle “aree di rispetto”, di fatto libere , ma necessarie per evitare l’ombreggiamento.
Inoltre occorre ricordare che gli impianti non richiedono per la loro installazione opere fisse e che possono essere installati o integrati nelle strutture edilizie esistenti .
I componenti dell’impianto fotovoltaico :
-Il campo fotovoltaico :
È l’insieme di più generatori fotovoltaici ( v.1.1 ) indipendenti collegati in parallelo .
-le strutture di sostegno :
I moduli fotovoltaici sono montati su una struttura meccanica in metallo capace di sostenerli ed ancorarli , progettata in modo da rispondere ad esigenze di basso costo ed alta affidabilità che ne garantiscano la durata .
Generalmente tale struttura è orientata in modo da massimizzare l’irraggiamento solare , cioè inclinata verso sud dell’angolo di tilt ottimo .
A causa della variabilità stagionale dell’angolo di tilt ottimale sono diffuse , soprattutto per campi di medie e grandi dimensioni , anche strutture di sostegno ad inclinazione variabile manualmente o automaticamente , con questo accorgimento si riesce ad aumentare la producibilità dell’impianto fino al 30% .
Qualora il campo fotovoltaico preveda una configurazione a file parallele occorrerà distanziarle in modo tale che non vi siano eccessivi ombreggiamenti , un adeguato compromesso sarà una distanza tra due file parallele pari :
A
-Il sistema di condizionamento della potenza :
La caratteristica di variabilità di tensione e corrente in uscita dal generatore fotovoltaico al variare dell’irraggiamento solare mal si adatta alle specifiche dell’utenza , che spesso richiede corrente in alternata , per alimentare direttamente il carico o per il collegamento alla rete elettrica di distribuzione , nonché un valore costante per la tensione in uscita dal generatore . Nei sistemi fotovoltaici il generatore è quindi collegato agli apparecchi utilizzatori e alla rete tramite un sistema di controllo e condizionamento della potenza .
Il sistema di controllo della potenza converte la corrente prodotta dal generatore fotovoltaico da continua in alternata , adatta la tensione del generatore a quella di rete effettuando l’inseguimento del punto di massima potenza e infine controlla la qualità della potenza immessa in rete in termini di distorsione e rifasamento , pertanto sarà costituito da un inverter. Generalmente , per impianti collegati alla rete vengono usati inverter del tipo a commutazione forzata con tecnica PWM (modulazione a larghezza di impulso) senza riferimenti interni ovvero assimilabili a sistemi non idonei a sostenere la tensione in assenza di rete .
I parametri di ingresso dell’inverter devono essere compatibili con quelli del generatore fotovoltaico in termini di finestra di tensione operativa, ripple lato dc , poli isolati da terra e isolamento tra lato corrente continua e alternata .
Le caratteristiche di uscita dell’inverter riguardano essenzialmente il valore della tensione e della frequenza di uscita , la distorsione armonica , il controllo del fattore di potenza e la presenza o meno delle protezioni di massima e minima tensione e frequenza .
Ovviamente , il collegamento dell’impianto alla rete elettrica di distribuzione , nel caso tipico di applicazione del regime di scambio sul posto dell’energia elettrica prevede un contatore per la misura dell’energia prelevata dalla rete e un misuratore dell’energia immessa in rete .
Aspetti economici:
La peculiarità economica dell’energia fotovoltaica è data dal fatto che essa richiede un forte impegno di capitale iniziale e basse spese di mantenimento.
Il costo complessivo di realizzazione di un impianto fotovoltaico dipende essenzialmente dalla tipologia e dalla taglia dell’impianto.
Per una centrale fotovoltaica di grande taglia , ad esempio da un MWp , il costo dell’impianto è di circa 6000 €/kW , questo costo è dovuto , per circa il 50-60 % , al costo dei moduli e , per la parte rimanente , al costo degli altri componenti del sistema e dell’installazione , mentre costi annui di manutenzione e gestione sono dell’ordine dello 0,5% del costo dell’investimento.
2.2 “Mini” impianti eolici
L’utilizzo della fonte eolica per la produzione di energia pulita e rinnovabile si sta sempre più consolidando come una delle grandi opzioni di diversificazione energetica , consentendo “la coltivazione energetica” di aree già utilizzate per altre colture o scarsamente utilizzate .
A differenza dei grandi aerogeneratori l’installazione di mini turbine eoliche non modifica la destinazione d’uso del terreno , infatti l’occupazione reale del suolo non supera lo 0,5% , permettendone l’inserimento in tutte le aree collinari e/o costiere del nostro territorio .
In un ettaro di terreno , in zona ventosa (velocità media del vento su base annua > 5 m/s) , è possibile installare da 5 a 10 mini turbine eoliche , di potenza unitaria pari a 20 kW, integrandosi e senza interferire con le attività preesistenti .
La produzione energetica , in questo caso , potrebbe raggiungere i 400.000 kWh/ettaro che oltre ai ricavi economici diretti , rende disponibili circa 90 TEP/anno ed evita l’emissione in atmosfera di circa 280 tonnellate di CO2/anno .
Le ridotte dimensioni delle turbine eoliche garantiscono vantaggi dal punto di vista delle procedure di installazione , infatti le maggiori perplessità sull’installazione di centrali eoliche, da parte dei politici e delle popolazioni locali,derivano dal fatto che al beneficio di non avere emissioni inquinanti si contrappongono caratteristiche negative quali :
- occupazione del territorio ;
- effetti sul territorio durante la costruzione ; - impatto visivo ;
- rumore ;
- effetti elettromagnetici ;
- sicurezza del volo a bassa quota ;
tali da indurre le regioni italiane a redarre apposite guide indicanti le zone dove sia più o meno possibile l’installazione di impianti eolici (per maggiori informazioni cfr:Linee guida per la valutazione di impatto ambientale degli impianti eolici,regione Toscana febbraio 2004) .
Figura 2.1 : aerogeneratori connessi alla rete BT presso una stazione di servizio a Livorno:
La realizzazione di un piccolo impianto eolico composto da soli 2 aerogeneratori da 20 kW trascende da tutte queste problematiche in quanto le sue ridotte dimensioni provocano scarsi effetti negativi , tanto che per la sua autorizzazione a costruire basterà una semplice DIA (dichiarazione di inizio lavori) da presentare all’ufficio comunale di appartenenza come nel caso di realizzazione di semplici opere edili .
La diffusione su vasta scala di piccoli impianti eolici e di piccola taglia consentirebbe al contrario di :
-migliorare le condizioni di approvvigionamento energetico nelle aree rurali ; -decentralizzare la produzione energetica ricercando le soluzioni locali più adatte ;
- produrre energia elettrica assolutamente priva di emissioni inquinanti con effetto favorevole sull'ambiente ;
-limitare la costruzione di linee elettriche per meglio tutelare il paesaggio rurale, riducendo l'inquinamento visivo ed elettromagnetico ;
-creare posti di lavoro qualificati per la costruzione , manutenzione e gestione degli impianti ; -favorire lo sviluppo economico locale permettendo di sfruttare una risorsa energetica locale inesauribile quale il vento.
2.3 “Mini” impianti idraulici
Vengono considerati “mini impianti” quelli con :
100 < P < 1.000 kW
sono solitamente ad acqua fluente , cioè non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli afflussi (a meno di modesti bacini di accumulo) , per cui la portata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d'acqua a meno del deflusso minimo vitale necessario per salvaguardare l'ecosistema .
Quindi la turbina produce energia con modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità della risorsa : se il corso è in magra e si scende sotto un livello minimo di portata , cessa la produzione di energia elettrica .
Le opere di cui si compongono i mini impianti sono ovviamente le stesse di tutti gli altri (v. 1.3), ma con la peculiarità di essere poco invasive .
Opere di presa :
Sono quelle opere che consentono di trasportare l'acqua dallo sbarramento alla centrale. Sono costituite da un manufatto di presa (dotato di griglie e di organi di intercettazione) seguito da un condotto derivatore (che può essere a pelo libero , dove l'acqua è a contatto superiormente con l'atmosfera come nei canali , od una condotta in pressione) . I canali a pelo libero hanno solitamente sezione trapezia e possono essere scavati nel terreno e dotati di un rivestimento in calcestruzzo ; le condotte in pressione hanno invece sezione circolare e sono realizzate mediante tubazioni di acciaio.
Opere di filtraggio :
A seconda dell’entità dei corpi solidi trasportati dal corso d’acqua è necessario un filtro , a pulizia automatica,che ne impedisca il passaggio .
La presenza a monte dell’opera di presa di un piccolo bacino di carico favorisce il depositarsi di corpi pesanti sul fondo rendendo più agevole il compito del filtro .
sono essenzialmente costituite da canali o da condotte forzate e dipendono : dall’orografia , dalla portata e dalla turbina prevista .
Solitamente le tubazioni che adducono acqua alla macchina della centrale ; sono fortemente inclinate e sono costituite da tubazioni in lamiera di acciaio a sezione circolare , hanno delle valvole in testa ed al piede che permettono di chiudere il passaggio all'acqua .
Per questo tipo di impianti , dove le condizioni di pressione lo consentano , è conveniente preferire le tubazioni in PEAD o PVC (attualmente possono tranquillamente lavorare a pressioni di 16 bar , rispetto a quelle in lamiera d’acciaio perché molto più convenienti) .
La turbina :
La turbina idraulica è quel dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica ; è essenzialmente costituita da un organo fisso , il distributore e da uno mobile la girante .
Il primo ha tre compiti essenziali: indirizza la portata in arrivo alla girante imprimendovi la direzione dovuta , regola la portata mediante organi di parzializzazione , provoca una trasformazione parziale o totale in energia cinetica dell'energia di pressione posseduta dalla portata .
La girante infine trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica resa sull'albero motore .
I mini impianti sono spesso caratterizzati da medi salti ( 50-250m) modeste e variabili portate, quindi la girante che meglio si adatta a queste caratteristiche e la turbina Cross-Flow (flussi incrociati) o Ossberger .
Questa turbina ad azione si utilizza con una gamma molto ampia di portate e salti tra 5 m e 200m .
Il suo rendimento massimo è inferiore all'87% , però si mantiene quasi costante quando la portata discende fino al al 16% della nominale e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al 10% della portata di progetto .
L’acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota , che funziona quasi completamente sommersa ( con un piccolo grado di reazione ) . Il flusso che abbandona il primo stadio cambia di direzione al centro della ruota e s'infila nel secondo stadio , totalmente ad azione .
La ruota è costituita da due o più dischi paralleli tra i quali si montano , vicino ai bordi , le pale , costituite da semplici lamiere piegate .
Figura 2.2 : esploso di una turbina a flussi incrociati
Figure 2.3 : range operativi e curve di rendimento di una turbina a flussi incrociati
Quando la turbina ed il generatore girano alla stessa velocità e possono essere installati assialmente , si raccomanda l'accoppiamento diretto , che evita le perdite meccaniche e minimizza le manutenzioni .
In generale , soprattutto con turbine di piccola potenza , le ruote girano a meno di 400 rpm e ciò comporta l'obbligo di ricorrere ad un moltiplicatore per raggiungere i 700-1500 rpm degli alternatori standard .
Il generatore :
Ha la funzione di trasformare in energia elettrica l'energia meccanica (di rotazione) trasmessa dalla turbina .
In funzione della rete che si deve alimentare il progettista può scegliere tra alternatori : sincroni: possono funzionare in isola
asincroni: non possono funzionare scollegati dalla rete perché hanno bisogno di assorbire potenza reattiva .
Quadri di controllo e di potenza :
Per mantenere di frequenza e tensione imposti dal gestore della rete tra i morsetti del generatore e la linea si installano dispositivi che controllando il funzionamento della macchina, la proteggono , la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa in caso di guasto . Il controllo si realizza mediante apparati più o meno sofisticati che misurano la tensione , l'intensità e la frequenza della corrente in ognuna delle tre fasi , l'energia prodotta dal generatore , il fattore di potenza ed eventualmente il livello dell'acqua nella camera di carico . La tensione e l'intensità di corrente si misurano mediante trasformatori di misura .
Quadri d’automazione :
La maggior parte delle piccole centrali lavora senza presidio permanente di personale e funziona mediante un sistema automatico di controllo. Esistono dei requisiti generali che devono essere soddisfatti: tutti gli equipaggiamenti devono essere dotati di controlli manuali e misure , indipendenti dal controllo automatico , da usarsi solamente per l'avviamento iniziale dell'impianto e per le operazioni di manutenzione ; il sistema deve includere i dispositivi necessari per individuare il funzionamento difettoso; i dati di funzionamento devono essere registrati ; il sistema di controllo deve essere tale da permettere il funzionamento della
centrale senza personale ; si deve poter accedere al sistema di controllo da un punto remoto e poterne prendere il controllo.
Il trasformatore:
è l'elemento che si interpone tra la centrale e la rete elettrica ; ha la funzione di variare la tensione della corrente in uscita dall'alternatore , in particolare di portare la corrente dalla tensione di uscita del generatore a quella (alta o media tensione) , della linea elettrica.
Organi di scarico:
Sono costituite da un canale a pelo libero o da una condotta in pressione che restituisce la portata d'acqua utilizzata al corso d'acqua, portando l'acqua dalla centrale al corso d'acqua.
2.4 Impianti di cogenerazione a biomasse
La cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica e termica ( CHP : Combined Heat & Power ) , infatti utilizzando l’energia primaria in modo più razionale rispetto ai normali processi di produzione separata si possono raggiungere valori di efficienza energetica molto elevati (0,85-0,90) .
Gli impianti di cogenerazione a biomasse racchiudono in sé i vantaggi sia della cogenerazione sia dell’utilizzo di combustibile ecocompatibile .
I sistemi di cogenerazione sono soprattutto legati ad applicazioni di microgenerazione (impianti di piccola taglia) , cioè il calore viene prodotto e utilizzato direttamente da chi ha installato la centrale , che di solito consuma anche parte dell’energia elettrica autoprodotta cedendo le eccedenze alla rete .
Questa tecnologia sta riscuotendo un grande successo perché permette di ridurre sia i consumi di fonti primarie che le emissioni inquinanti .
Ad oggi esistono tre tipi di cogeneratori a biomasse per microgenerazione :
- microturbine a biogas
- microturbine a gas con combustione esterna
In questo lavoro saranno presi in esame soltanto i cogeneratori del terzo tipo in quanto più adatti all’applicazione che se ne vorrà fare sia per combustibile utilizzato che per potenza generata .
Microturbine a gas con combustione esterna :
Il ciclo termodinamico di questi impianti è molto simile a quello delle normali turbine a gas con rigenerazione termica , ma in questo caso l’aria compressa uscente dal rigeneratore prima di entrare in camera di combustione viene preventivamente riscaldata in una caldaia a biomassa .
Con questo accorgimento il consumo di gas si riduce del 70-80% rispetto al normale funzionamento in turbina a gas , addirittura sono in fase sperimentale macchine in cui si potrebbe portare quasi a zero il consumo di gas , praticamente lo si userebbe soltanto in avviamento , nei transitori e per mantenere la combustione nella caldaia a biomassa .
Figura 2.4 : confronto tra i cicli termodinamici
FfffFfFF
Per poter funzionare in continuo un impianto di questo tipo ha bisogno , che la biomassa sia immessa in caldaia in maniera automatica , pertanto visti i notevoli consumi , è opportuno disporre un silo di carico adiacente alla macchina .
Figura 2.5 : impianto completo per cogenerazione da biomasse legnose (Pistoia)
Generatori di questo tipo presentano le seguenti caratteristiche generali:
- potenza elettrica generabile : 80-120 kW - potenza termica generabile : 250-300 kW - rendimento elettrico : 20-25% - rendimento termico : 60-65% - rendimento complessivo : 80-90% - produzione di ceneri : 4% in massa
