Impressioni di un Tecnico

Ed eccovi finalmente l’annunciato ultimo post della serie sui sistemi di accumulo dell’energia: si cercherà di determinare come deve essere dimensionato un sistema di accumulo per un  impianto fotovoltaico da 50kW di potenza massima erogata, o 50kWp. Impianti di questa taglia sono da considerarsi di grande potenza per questa tecnologia: impianti di potenze maggiori esistono ma sono più rari e richiedono sforzi tecnologici non comuni per la loro costruzione, oltre a superfici  occupate decisamente importanti, visto che la potenza massima producibile espressa in kW/m² è pari a circa 0,125÷0,083. Non tratterò volutamente il dimensionamento di un impianto eolico, per le due seguenti ragioni

• la potenza media di tali impianti è molto più alta (la taglia tipica di un generatore eolico è 3MW), quindi il problema della realizzazione di un impianto per l’accumulo dell’energia fornita è molto più complesso
• non esistono ancora soluzioni tecnologiche di largo impiego a detto problema, probabilmente proprio in ragione di quanto affermato al punto precedente

A proposito, per i dati tecnici mi sono basato sull’ottimo articolo “Investire oggi nel fotovoltaico” di Roberto Faranda e Federico Zaraga, Aprile 2006, Rivista AEIT della AEIT – Federazione Italiana di Elettrotecnica, Elettronica, Automazione, Informatica e Telecomunicazioni. Facciamo ora alcune ipotesi.

1. Supponiamo che l’impianto sia realizzato allo stato dell’arte, vale a dire che sia orientato in modo tale da garantire una potenza minima di circa 3kW (una comune utenza domestica) almeno nel 97,75% delle condizioni atmosferiche: questo equivale a supporre che ci siano circa 4 giorni di pioggia completa all’anno, dove l ‘erogazione di energia è forzatamente inferiore. Infatti (giorni), essendo il numero totale di giorni di sole annui, escluse le notti (ovviamente ).
2. Perché proprio questa percentuale? Vi chiederete voi. Avete ripassato la teoria della distribuzione di probabilità gaussiana? Vi chiedo io . Se l’avete fatto, potete ricordare che la probabilità che questa variabile abbia valore minore a µ-2s, vale a dire P[x<µ-2s], con µ valore medio della variabile e s deviazione standard, è il 2,25%. Se allora supponiamo che l’energia fornibile dal nostro impianto abbia questa distribuzione di probabilità, l’ipotesi 1 viene automaticamente verificata: l’assunto è molto forte perché in genere i fenomeni atmosferici non hanno distribuzione di probabilità di tipo gaussiano per tutta una serie di ragioni che magari vi esporrò in un altro post, ma nel nostro caso va benissimo perché permette di illustrare un modo qualitativamente buono di procedere.
3. Supponiamo di usare come sistema di accumulo di energia una batteria di accumulatori  al litio: questo perché pur essendo un tipo di batteria che ha ancora grossi problemi, presumibilmente è la tecnologia che per volume di vendite e sviluppo tecnologico raggiungerà la maturità tecnica nel prossimo futuro. Tengo comunque a precisare che ora come ora questo strumento non è ancora adatto all’uso a cui noi lo stiamo destinando . Adotteremo come valore di efficienza energetica il 90%,come valore di energia specifica 180Wh/kg, e infine come valore di potenza specifica 400W/kg. assumendo per queste quantità la definizione data in questo precedente post.

Con queste ipotesi e questi dati possiamo assumere che µ=25kW (potenza media erogata) e s=11kW (deviazione standard della potenza erogata). Ora una nuova considerazione: il sistema di accumulo dell’energia erogata da questo impianto deve avere la sua stessa massima potenza. Infatti, se ciò non fosse, in condizioni di scarso assorbimento di potenza da parte della rete e contemporaneo picco di generazione della centrale fotovoltaica, il sistema di accumulo di energia rischierebbe di danneggiarsi: il sistema deve quindi pesare almeno   . Si noti che si tratta di un limite minimo, al disotto del quale non è possibile andare: il peso finale e quindi il volume del sistema deve essere valutato anche in funzione dell’energia erogabile e può quindi essere (e in generale sarà) molto maggiore. Vediamo allora di procedere a questa ulteriore più precisa valutazione considerando la continuità del servizio che vogliamo garantire: fissiamo una potenza nominale, vale a dire una potenza di impianto che noi dobbiamo poter essere in grado di fornire sempre e comunque,  pena il sovraccarico di altri fornitori e/o il fuori servizio dell’intera rete di distribuzione (o almeno di una parte locale). Ragionando come visto in precedenza, vediamo che la probabilità che la potenza erogata dall’impianto scenda sotto il valore µ-s=14kW, ossia P[x<µ-s], vale l’84,15%. Ciò significa che il sistema di accumulo dell’energia dovrà fornire la potenza nominale dell’impianto solo per il 15,85% del periodo diurno oltre che per il 100% del periodo notturno: sono percentuali ragionevoli per cui adottiamo PNOM=14kW. Allora l’energia fornibile dal sistema di accumulo dell’energia deve essere pari a

Il valore ottenuto è enorme! Si noti che con le batterie avanzate scelte dovremmo  comunque avere un accumulatore di 400t che equivale a un volume di 355000l355m³ (assumendo una densità volumetrica di energia di 200Wh/l, dato anche questo preso dal numero di Maggio 2008 della rivista AEIT, articolo di Giuseppe Lodi ). Ora, siccome l’impianto stesso in condizioni ottimali deve occupare una superficie pari a 400m², risulta che una batteria di questo tipo alta circa un metro deve occupare la medesima area dell’impianto. Tuttavia, allo stato attuale della tecnologia sistemi di questo tipo sono economicamente fattibili solo con batterie al piombo.: questo significa che la densità di energia è 30-40 Wh/kg e quindi il sistema di accumulo dell’energia ha un volume almeno 4 volte superiore a quello realizzabile in via teorica con le batterie al litio, escludendo le opere civili necessarie per la gestione, la manutenzione, la protezione dagli agenti atmosferici. Si inizia ora a capire perché a discapito di una tanto sbandierata ecologicità , questi impianti non sono diffusi:

1. Il picco di potenza non è raggiungibile se non per percentuali irrisorie del tempo di servizio.
2. Il volume occupato dai necessari sistemi di accumulo dell’energia per garantire la continuità di erogazione dell’energia elettrica in presenza di soli impianti fotovoltaici è enorme.

Ma impianti di questo tipo esistono, e come abbiamo detto all’inizio del post, hanno anche potenze superiori: come fanno a garantire il loro servizio? Semplicemente essi si appoggiano a centrali termoelettriche e centrali nucleari che garantiscono la continuità del servizio dato che la loro efficienza di impianto che è, come già detto, il rapporto tra la potenza nominale dell’impianto e la potenza effettiva che l’impianto stesso sviluppa è completamente sotto il controllo del personale della centrale. Pensateci su mentre ci ascoltiamo gli AC/DC:

AC/DC – Dirty Deeds Done Dirt Cheap

Viste le premesse illustrate brevemente nel precedente post, inizio con l’elencarvi quali sono attualmente le possibili scelte in ambito di batterie ricaricabili per uso in sistemi per la produzione di energia elettrica. Partirò dalle tecnologie più tradizionali per arrivare a quelle di più recente introduzione: nel seguito si parlerà di energia specifica, misurata in Wh/kg, per quantificare l’energia che può essere immagazzinata dalla batteria in esame, potenza specifica, misurata in W/kg, per quantificare la potenza massima da essa erogabile, e efficienza energetica, per quantificare il rapporto tra l’energia erogata e l’energia assorbita durante il procedimento di carica

• Batterie al piombo: sono le batterie tradizionalmente impiegate nelle automobili. Grazie alla loro diffusione, sono molto economiche, praticamente completamente riciclabili ed hanno un livello di durata ed affidabilità molto alto, efficienza pari al 75-80%. Hanno però una bassa densità di energia e di potenza (rispettivamente 30-40 Wh/kg e 250 W/kg) e le prestazioni dipendono fortemente dalla temperatura di esercizio: queste caratteristiche ne rilegano l’uso in piccoli impianti di produzione isolati (un impianto tipico fornisce 500kW di potenza e 1MWh di energia).
• Batterie al nichel-cadmio:hanno un costo elevato dovuto essenzialmente al cadmio, che risulta essere molto tossico. Per questa ragione direttive europee ne sconsigliano fortemente l’uso: non è la tecnologia del futuro (almeno un questo ambito) per cui non è esaminata in dettaglio se non per notare che ha caratteristiche desiderabili quali resistenza ai sovraccarichi, alle condizioni operative avverse, energia e potenza specifica circa doppie rispetto alle batterie al piombo.
• Batterie al nichel-metallo idruro: nascono dalle batterie precedenti per sostituzione del cadmio con idruri metallici, vale a dire con metalli alcalini o metalli alcalino terrosi. Hanno efficienza energetica pari al 70%, densità di energia e potenza pari a 60-70Wh/kg e 350W/kg: sfortunatamente i materiali di costruzione, pur non essendo tossici, sono molto costosi. Inoltre queste batterie manifestano instabilità termica durante la carica, e quindi richiedono sistemi di controllo complessi.
• Batterie al nichel-zinco: hanno efficienza energetica di circa il 60% e densità di energia e potenza pari a 70Wh/kg e 300W/kg. Il costo dei materiali di costruzione è basso e hanno scarso impatto ambientale, ma rimangono dei problemi di durata e affidabilità dovuti all’instabilità dell’elettrodo di zinco.
• Batterie al litio: si tratta in realtà di una classe di batterie con caratteristiche simili. Sono caratterizzate da elevata efficienza energetica (tra l’88% e il 90%) e densità di energia e potenza pari a 120-180Wh/kg e 400W/kg. Nonostante presentino questi vantaggi dal punto di vista energetico, presentano una elevata non uniformità di caratteristiche elettriche (tensione nominale, carica accumulata, resistenza interna) che obbligano all’uso di sistemi elettronici complessi per il loro controllo e rendono problematica la costruzione di batterie di grosse dimensioni, dal punto di vista della durata e dll’affidabilità: in condizioni di estremo malfunzionamento possono incendiarsi (!!!! ).
• ZEBRA e batterie ad alta temperatura sodio-zolfo: sono batterie che richiedono elevate temperature di funzionamento interne (260°C per ZEBRA e 300°C per le batterie sodio-zolfo). L’efficienza energetica è elevata (85%) e parimenti lo sono la densita energetica e di potenza (120Wh/kg e 100W/kg). E’ necessaria la presenza di un apparato di gestione e controllo per la gestione termica e per la sicurezza d’uso.
• Batterie vanadio Redox e batterie zinco-bromo: sono batterie nate per uso come accumulatori energetici in centrali di generazione/distribuzione dell’energia elettrica. Sono costituite da due serbatoi contenente le soluzioni chimiche, e da una membrana che costituisce gli elettrodi del sistema. Hanno densità energetica e di potenza pari a circa 50Wh/kg e 60W/kg, e efficienza energetica che raggiunge l’85%: è una tecnologia in piena fase di sviluppo, che dal punto di vista del sistema ha diverse caratteristiche desiderabili, tra le quali la possibilità di carica meccanica, e una elevata sovraccabilità.

E per il momento ci fermiamo .

Oggi inizierò col parlarvi delle batterie ricaricabili, più correttamente chiamati “sistemi di accumulo elettrochimici”. L’articolo della Wikipedia in lingua Italiana offre una buona descrizione di tutte le tecnologie disponibili, con ricchezza di dati e particolari ma, come è giusto che sia per un articolo enciclopedico, descrive sia batterie di grandi dimensioni che batterie per applicazioni portatili. L’analisi delle possibilità di impiego in ambito energetico su larga scala porta a considerare le prime escludendo le ultime: inoltre quello che a noi interessa è una analisi costi-benefici relativa alla tecnologia di questi oggetti. Quindi ho ritenuto opportuno fare riferimento al numero di Maggio 2008 della rivista AEIT: in particolare all’ottimo articolo di Giuseppe Lodi. Queste sono le premesse: nei prossimi post vedro di svilupparle, ma ora ascoltiamoci Domenico Modugno

Domenico Modugno – Nel blu di pinto di blu (Volare)

Vi avevo parlato tempo fa di alcuni post di carattere tecnico che stavo preparando, dove avrei trattato aspetti legati al problema della produzione di energia elettrica, che è senza dubbio centrale nel mondo odierno: questo è uno di essi. Vi avevo già accennato ad uno dei problemi principali che si incontrano nell’uso delle centrali eoliche e delle centrali solari: la necessità di immagazzinare l’energia elettrica prodotta nei momenti di elevata disponibilità per utilizzarla distribuita in maniera uniforme durante l’intero arco della giornata. Il processo di immagazzinamento si può eseguire mediate due tecnologie fondamentalmente diverse:

1. Batterie ricaricabili
2. Volani magnetici o sistemi SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage)

Descriverò nei post seguenti queste tecnologie, i loro punti di forza e le loro debolezze. Intanto ascoltatevi Travis ( )

Travis – Flowers In The Window

Come promesso nel post di ieri, torno a parlarvi di una serie di fattori di impatto economico che vanno presi in considerazione quando si punta sulla produzione di energia elettrica mediante centrali nucleari a fissione, anche se il loro effetto non può essere valutato come diminuzione o meno del costo del kilowattora: eccovi allora un tentativo di elenco

1. L’efficienza di impianto che è, come già detto, il rapporto tra la potenza nominale dell’impianto e la potenza effettiva che l’impianto stesso sviluppa è completamente sotto il controllo del personale della centrale. In parole povere cio significa che se l’utenza richiede in questo preciso momento il 65% della potenza nominale della centrale, questa può essere erogata senza nessun problema: se l’utenza chiede lo 0%, la centrale può essere spenta senza problemi. Per le centrali eoliche e le centrali solari questo non è vero perché la fonte primaria di energia è sottoposta a variazioni meteorologiche: questo è vero in misura maggiore per le centrali eoliche, ma anche per le centrali solari, che per forza di cose non possono essere costruite tutte in luoghi dove le precipitazioni annue equivalgono a quelle del deserto del Ténéré. Ciò significa che la potenza erogata da questa tipologia di centrali non è mai dipendente dalle richieste dell’utenza, ma non solo: la rete elettrica di trasmissione dell’energia elettrica a cui sono allacciati impianti di questo tipo è soggetta a forti sovraccarichi. Il gigantesco effetto domino partito dalla Germania il 4 novembre del 2006 che ha investito l’Europa rischiando di causare un generalizzato black out pare (e dico pare perché non ricordo la fonte esatta, ma ne sono sicuro ) sia stato un eccesso di produzione da parte di uno degli impianti eolici tedeschi, afferente ad una linea a 400kV non in perfetta forma. Occorre quindi avere una rete elettrica in perfetta forma, alla quale siano allacciati impianti di diversa tipologia e questo è tutto sommato un obiettivo fattibile, anzi auspicabile. Si potrebbe obiettare che è possibile immagazzinare l’energia elettrica prodotta nei periodi di abbondanza per consumarla nei periodi in cui l’utenza la richiede: questo è senz’altro vero ma per impianti di potenza limitata. Infatti non esiste a questo riguardo una soluzione tecnologica che possa garantire elevate densità di energia immagazzinata (diciamo kilowattora per metro cubo) e elevata efficienza energetica (l’oggetto in questione dovrebbe restituire una ragionevole parte dell’energia in esso immagazzinata): allora, cosa aspettate a risolvere il problema?
2. L’impatto che ha la tecnologia nucleare non riguarda solo la produzione di energia: esistono tutta una serie di ambiti traenti vantaggio in particolar modo dallo sviluppo del nucleare che brevemente elenco.
   • Industria elettronica: l’elettronica che si usa nelle centrali nucleari deve essere progettata con criteri stringenti e deve possedere delle caratteristiche di durata, sicurezza e affidabilità non comuni e inoltre deve essere radiation hardened.
   • Scienza dei materiali e chimica: ricerche su acciai speciali, materiali magnetici, sistemi di isolamento e protezione, materiali.
   • Ingegneria nucleare: ricerche su tipi possibili di centrali nucleari.

   Forse solo la tecnologia per lo sviluppo delle centrali solari fotovoltaiche può vantare impatti in altrettanti ambiti.

Bene, per oggi ho terminato… Ah! Volevo dire che già da ieri potete rilasciare commenti in forma anonima sui post del mio blog: naturalmente mi riservo di non pubblicare quelli che non rientreranno in uno standard minimo di intelligenza e rispetto, Ok? Ed ora gli Scorpions!!!

Scorpions – Holiday (Athens Live at Karaiskaki)

Eccomi pronto a ritornare all’argomento iniziato nel post di ieri, vale a il confronto in termini di costo globali (vale a dire, lo ripeto, considerando i tutti i costi di costruzione,gestione ed esercizio, smaltimento) tra centrali nucleari a fissione, centrali eoliche, centrali solari, centrali termoelettriche (in particolare a carbone). Lo studio già citato “The Future of Nuclear Power” perviene alla conclusione che per consentire una produzione di energia elettrica economica e di basso impatto ambientale, nessuna delle quattro opzioni può essere trascurata. In particolare, l’energia elettrica prodotta con centrali nucleari a fissione risulta la piu economica assieme a quella prodotta tramite centrale termoelettrica a ciclo combinato: tuttavia, le ipotesi semplificative fatte nella determinazione del costo del kilowattora della centrale nucleare incidono sul risultato in maniera prudenzialmente peggiorativa. In particolare

1. Nel rapporto si ipotizza che una centrale nucleare abbia mediamente un efficienza di impianto (che è il rapporto tra la potenza nominale dell’impianto e la potenza effettiva che l’impianto sviluppa) pari all’85%, mentre il valore medio di questo parametro per le centrali nucleari installate negli Stati Uniti d’America è superiore al 91%.
2. Nel rapporto si ipotizza una durata dell’impianto massima di 40 anni: in realtà, già centrali nucleari di tecnologia non recente (vale a dire i reattori nucleari di II generazione) si sono viste prolungare il ciclo di vita a 50 anni (ovviamente in condizioni di assoluta sicurezza di funzionamento) e con 10 anni di flussi di cassa positivi in più (fonte VAST: relazione del prof. Renato Angelo Ricci al seminario “Prospettive dell’energia nucleare in Italia” in data ottobre 2005, già citato in un mio post precedente sull’argomento). E’ qundi possibile che le stime di vita media per reattori avanzati debbano essere ritoccate in altro, verso i 70 anni.

Tenendo conto di queste due ipotesi, il calcolo del costo medio del kilowattora prodotto da una centrale nucleare diminuirebbe ancora, consegnando a questo tipo di produzione di energia elettrica la palma del metodo più economico. Esistono poi altri fattori di impatto economico, che non possono essere valutati in relazioni come quelle considerate perché vanno oltre il mero aspetto di produzione di energia: proverò a elencarne alcuni in un post successivo. Intanto ascoltatevi John Denver

Take Me Home Country Roads: John Denver

Ok, magari avrei dovuto pensare un po’ di più ai contenuti, ma siccome in questo ambito ho ancora qualche piccola limitazione causata dai problemi con i plugins, anche oggi ho perso un po’ di tempo a guardare i vari temi disponibili per Wordpress, che potete trovare seguendo il link “Themes” nel Blogroll. Alla fine ho scelto il tema Cloudy, sia per ragioni estetiche che per ragioni squisitamente tecniche: vale a dire che, oltre a essere bello, rende il blog fruibile in maniera efficace da voi, miei lettori. E comunque ho deciso di non lasciarvi senza contenuti: desidero proseguire nel sottoporre alla vostra attenzione fonti di particolare rilevanza (a mio modo di vedere) circa le caratteristiche (impatti economici e ambientali) della produzione di energia nucleare. In particolare, durante le mie ricerche nel Web sono incappato in questo rapporto, estremamente ben presentato e dettagliato: The Future of Nuclear Power, pubblicato online dal Massachusetts Institute of Technology, istituzione che più o meno tutti conoscono (o dovrebbero conoscere ). E’ uno studio che mira a stabilire se la la produzione di energia elettrica mediante centrali nucleari a fissione sia competitiva in termini economici (in senso lato, vale a dire considerando tutti i costi, costruzione,gestione ed esercizio, smaltimento) rispetto alla produzione mediante centrali eoliche, solari, termoelettriche (in particolare a carbone). IL risultato dello studio è che nessuna delle quattro opzioni deve essere trascurata: discuterò questo risultato nel prossimo post, che quindi è da non perdere!