Appunti di Energia eolica e marina

Energia eolica e marina

Introduzioni alle rinnovabili

Sono energie la cui disponibilità si considera infinita nel tempo (nel senso nella durata dell'esistenza umana). Le fonti sono lì riportate, le uniche vere però sono:

• La solare
• La geotermica che derivano dalle reazioni nucleari
• Dalle maree che derivano dalla luna

Tutte le altre come vedremo, anche il vento, sono derivate dall'energia solare, il loro utilizzo si contrappone a quello delle più classiche energie da combustibile fossile, che da un punto di vista ambientale è peggio. Come sappiamo l'urgenza della transizione energetica da combustibile fossile in rinnovabile è assoluta. Basta vedere gli andamenti delle emissioni inquinanti negli anni e la concentrazione di CO₂ in atmosfera. In Europa ci si è posti l'obiettivo di ridurre l'emissione di CO₂ del 55% entro il 2030 e annullarlo entro il 2050. Forse ci riusciamo per liberarci dalla dipendenza dal gas naturale. La transizione è urgentissimo, il sistema Terra è a enorme inerzia, se io intervengo ora l'effetto reale lo vedo tra tantissimo tempo. Questo sempre a causa dell'alta inerzia del nostro ecosistema in cui tutti i processi sono molto lenti. Niente di questo è stato fatto.

Come vediamo dai 2 grafici dell'IPCC, ente di ricercatori indipendenti non pagati. Ci sono stime che dicono che se io inizio a ridurre la CO₂ subito l'effetto sul contenimento della temperatura, il picco lo avrei nel 2055. Sempre l'IPCC stima 3 scenari per quanto riguarda l'aumento della temperatura globale:

• Scenario medio: che si ottiene con le attuali manovre politiche, aumenta di 4,9 gradi F quindi 3 gradi Celsius al 2100, ghiacciai in Antartide sciolti.
• Scenario low: con manovre aggressive si avrà un aumento di 3,1 gradi F quindi si sopravvive al 2100
• Scenario high: con aumento di emissione o costante si aumenta la T di 7 gradi F, tutti morti nel 2100.

Questo va letto in scala globale. Perché una macchina elettrica non è a emissioni zero. Perché le centrali elettriche sono da un'altra parte a bruciare combustibile fossile, inoltre una volta che io emetto CO₂ questa va dove cazzo gli pare, non è localizzata in un punto, si disperde nell'ambiente e resta lì. Quindi in Europa può fare anche zero emissioni, ma finché gli altri continuano a pigiare siamo punto e a capo. La Cina attualmente fa circa il 30% delle emissioni del pianeta. Anche se, essendo così tanti, le emissioni pro capite sono solo 7.7. Gli Stati Uniti fanno un'emissione pro capite che è il doppio ad esempio. L'Europa emette meno del 9% e le nostre emissioni pro capite sono più basse della Cina.

L'8^o in classifica per emissioni è il trasporto internazionale, la nostra società è legatissima ai trasporti e questo da solo fa la CO₂ come la Corea del Sud o della Germania, anche se meno, lo stesso dicasi dell'aviazione internazionale. Queste sono 2 cose per cui attualmente non abbiamo alternative a combustibile fossile, soprattutto per l'aviazione. Si sta pensando all'idrogeno ma ancora è inattuabile. Un altro problema molto grosso è che non solo dovremmo fare l'energia di ora inquinando meno, ma la richiesta energetica salirà. Paesi già industrializzati siamo cresciuti negli scorsi anni e si sopperisce all'aumento di richiesta con efficientamento o riduzione dei consumi facendo pari. Ma paesi in crescita tipo India e Cina aimè no. Questi paesi alla richiesta di ridurre l'energia ti dicono vai a cacare perché te hai inquinato per crescere fin ora adesso non scassarmi la fava, molto miopi e idioti cinesi e indiani di sto ca.

Guardando ora questo schema: vedo tutta la radiazione solare che incide sulla terra ed è 1800 volte il PEC che è l'energia di cui abbiamo bisogno, pallino rosa, ciò che consumiamo, poi ci sono le disponibilità teoriche captando le varie fonti rinnovabili. I cerchi non sono comparabili ovviamente, perché quello rosa è ciò che consumiamo effettivamente, quelli neri sono un potenziale teorico, ma tra l'impossibilità di convertire tutto e il margine di conversione ce ne corre, ma di margine di miglioramento ce n'è.

Qui vediamo la produzione di energia al mondo sotto tutte le forme. Al di là di un aumento generico, sono aumentate tutte le singole produzioni di energia. Vediamo che le produzioni legate alle rinnovabili è solo la striscia sega grigia in cima. Perché le rinnovabili fanno energia elettrica. Ma nella nostra società abbiamo un bisogno gigante di produzione di energia termica, e sulla produzione totale di energia sotto tutte le forme, elettrica, termica, meccanica ecc, la produzione con rinnovabili pesa zero.

Il consumo globale di energia e il contributo delle rinnovabili

Per quanto riguarda l'uso dell'energia vediamo la slide dopo. Abbiamo dal 2000 al 2017 i consumi son gli stessi ma, sono aumentati gli edifici, i trasporti le attività ecc ecc aumentando i consumi di energia. Nel 2017 come vediamo abbiamo ripareggiato il consumo con improvements in energy efficiency, quindi efficientamento dei sistemi di trasporto e di produzione, e degli shift in una economia più di servizi che di produzione, in cui facciamo pari. La cosa importante è vedere il contributo delle rinnovabili al consumo primario di energia totale, di tutti i tipi, mondiale: le rinnovabili coprono solo il 14% del consumo, di cui solo 2 è hydro, il 10% sono legna bruciata nelle aree rurali, che ancora si usano per scaldarsi, quindi per energia termica bruciando roba, tutto il resto è solo l'1.5%, ce ne è di strada da fare.

Se vediamo la mappa ci sono tanti paesimi che spingono molto sulla produzione di energia con rinnovabili, tipo Nord Europa. Ma questo perché, sono ricchi, sono 3 gatti e hanno le risorse naturali, e grazie al cazzo se hai le rinnovabili, la Norvegia è piena di petrolio, lo vende a noi, ci fa un sacco di soldi e lei impianta fotovoltaici e si fanno le tesla. Hanno le sostanze inquinanti che le vendono a noi, noi li arricchiamo e loro sono poco e quindi investono sulle rinnovabili. Poi ci sono paesi del mondo dove controintuitivamente si spinge sulle rinnovabili. Però di nuovo, se vivi in un posto dove la richiesta energetica è poca, puoi permetterti di soddisfarla con rinnovabili. La Cina non è granché ma ci investe tanti soldi, usano i guadagni del commercio enormi che hanno e investono in rinnovabili.

Qui vediamo i dati del 2019 in cui i paesi si sono dati dei target sulla riduzione di consumi nel 2020, vediamo che l'Italia è stata molto brava, alcuni di più alcuni meno. Mentre a destra vediamo che a metà del 2020 le rinnovabili hanno superato i combustibili fossili per quanto riguarda la produzione di energia elettrica.

La situazione italiana

In Italia le rinnovabili si dividono in una metà di idroelettrico che abbiamo sempre avuto e siamo sempre stati bravi a farlo. Tutto si basa sul costo dell'energia e il boom economico del 60, era per l'idroelettrico, noi avevamo tanta energia per l'idroelettrico che per i consumi dell'epoca era top, noi avevamo energia e gli altri no. E poi la ripartizione con altre energie. Il problema dell'Italia è che non abbiamo una buona politica energetica, si va a folate, a noi manca una grande visione, nucleare non nucleare ecc. ecc.

Se guardiamo la produzione di energia elettrica con rinnovabili negli anni vediamo nel 2010 in Italia c'è un'impennata del solare, si decise politicamente di incentivare il fotovoltaico, e si installava il fotovoltaico come business, era un business investire sul fotovoltaico, il problema è che poi la priorità era il profitto economico e non energetico. Imprenditori milanesi investivano sul fotovoltaico, comprando campi di pomodori e installando fotovoltaici, che non erano messi bene perché era conveniente economicamente a prescindere e poi non erano furbi:

Come vediamo a destra la mappa di insolazione in Italia, e c'è più sole al sud, ma la potenza installata fotovoltaica è maggiormente al nord dove ce n'è meno, questo è frutto del business del cazzo e siccome e al nord sono più ricchi ci hanno investito loro, mentre dove era più strategico metterlo non lo hanno fatto.

Curva di carico del sistema elettrico italiano

Se guardiamo la curva di carico del nostro sistema elettrico in una giornata tipo abbiamo una curva a vasca: Vediamo intanto che i massimi si hanno da che ci si sveglia a che si va a dormire, 8-21. La notte non c'è un crollo del carico richiesto, il base load è più della metà del carico massimo. Questo perché tutta l'industria lavora a cicli h24. Inoltre ovviamente il riscaldamento e i cicli frigo consumano tantissimo. I Massimi sono alle ore di punta. Ovviamente devi sapere una cosa per quanto riguarda le rinnovabili, il vento un po' del carico elettrico notturno magari me lo copre anche, ma il solare ovviamente no, però questo ha una forma che assomiglia al massimo consume, inizia la mattina scende la notte e a picco nel mezzo. I picchi azzurri in cima sono idroelettrico, che è ancora alla base del sistema di produzione di energia elettrica, perché l'idroelettrico con un bacino in quota, si attiva in 2/3 min e salva la stabilità della rete, quando arriva il picco in 3 min arriva la potenza e salva i picchi.

Un esempio fu il blackout del 2013, ci fu un blackout nel Nord Italia. Fu un'estate caldissima. Ci furono i condizionatori di tutta Italia alle 12, si aprirono tutte le centrali idroelettriche di Italia ma nonostante questo non si riuscì a coprire il picco e la rete andò giù. La parte rossa è tutta energia termica, tutta roba bruciata che copre una parte del carico ma è un salvavita.

Producibilità delle rinnovabili

Quando si parla di rinnovabili parlare di potenza installata è significativo ma anche no. Perché io dico di installare tot MW/GW di potenza, ma a noi interessano i GWh da un punto di vista economico e sostanziale, se piazzo una turbina eolica da 20MW dove non tira vento me la infilo in culo, mi interessa quanta energia riesco a produrre. Ecco che si introduce la producibilità: Questa è la quantità di ore equivalenti di funzionamento a potenza nominale in un anno. Se io impianto una turbina eolica da 20MW non dico nulla, a me interessa ad esempio che in un anno mi produca x MWh. Questi MWh si possono vedere come ore equivalenti in cui la macchina è andata al massimo, a 20M. Vediamo che la producibilità perfetta è quindi il numero di ore in un anno, 8760 ore, e vorrebbe dire che per tutto l'anno la macchina ha prodotto a potenza nominale, in realtà in Italia vediamo: Nel 2006 il geotermico ci si avvicina abbastanza, l'eolico oggi arriva a 1900 e il fotovoltaico arriva a 1000, questo perché? Perché se il sole non c'è o il vento non tira pochi cazzi, energia non la fai.

In Italia non siamo un paese molto ventoso tranne che il sud e infatti vediamo che la potenza eolica installata è prevalentemente a sud: Questa produzione di energia si può migliorare:

• Repowering dei vecchi impianti eolici, installando macchine più potenti.
• Installare in terreni complessi, come creste di montagne sfruttando effetti di accelerazione dei venti.
• Sfruttare il mare, dove il vento è tanto e si introduce l'eolico galleggiante.

Interessante anche il settore in espansione nell'utilizzo delle biomasse:

Perché le rinnovabili non si usano ancora?

Bisogna investirci soldi, tanti con ritorni forse tra 10 anni, e in periodi incerti come questi si tende assolutamente a non farlo. E una diffidenza generale nella popolazione nei confronti dell'uso delle rinnovabili. C'è una naturale riluttanza all'utilizzo delle rinnovabili, leggi questo sondaggio che dice le percentuale di sì a quelle domande fatta in Australia. Considera anche che i costi di investimento, almeno fino al 2021, sono tanti tanti rispetto all'investimento su un impianto a combustibile fossile: Per controbattere questo ci vorrebbe un intervento politico in cui lo stato tassa in modo da rendere sconveniente la fonte fossile, le barre gialle sono quindi un contributo al costo altissimo dovuto dalle tasse che permette di rendere conveniente un impianto a rinnovabile. Sarebbe da fare così, ma a causa di Putin invece stiamo andando quasi dalla parte opposta.

Una cosa positiva è che il costo di investimento iniziale nel solare ed eolico dal 2010 al 2019 vedo che nel 2010 per un 1,000,000 di dollari investiti prima producevo 200 KW ora si arriva a qualche MW, l'eolico onshore un pochino meno ma c'è stato un miglioramento. Anche se non si ha un impatto sull'ambiente a livello di emissioni col rinnovabile si ha un impatto di occupazione e sfruttamento del suolo ambientale. Vediamo i Km quadrati per fare 1MW con le varie fonti di energia. Vediamo che i sistemi tradizionali sono estremamente più localizzate a dove cazzo mi pare, mentre le rinnovabili vanno messe solo dove c'è la fonte con un grande sfruttamento del suolo. Ma il vero problema delle rinnovabili è la tendenza delle persone a non vedere un cazzo: Come sempre si vuole la botte piena e la moglie ubriaca, si vuole questa energia verde ma senza nessuna modifiche nell'ambiente. Ad esempio in Inghilterra, da 10 anni ogni anno i progetti convenienti presentati dalle aziende che vengono bocciati è il 50%, di cui il 90% è dovuta a resistenza delle comunità locali.

Integrazione delle rinnovabili nella rete

Altro problema non banale è l'integrazione dell'energia prodotto da rinnovabile con la rete: La rete ad oggi funzionano in modo che ad ogni momento ci sia una corrispondenza tra domanda e offerta, quando voglio asciugarmi i capelli, io attacco il phon, e la rete in ogni momento deve garantirmi in ogni momento i kW necessari, a prescindere che li usi o no. Il problema è che l'energia elettrica è difficilmente stoccabile. Quindi il problema delle rinnovabili non è solo di installazione ma anche di renderle adatte ad entrare in rete.

La Germania prima voleva spegnere le centrali nucleari nel 2020, sostituendole con fotovoltaico a sud e tanto più eolico a nord per il mare. Per farlo però avrebbero installato la potenza, ma questa potenza va trasportata al resto della Germania, ad esempio dal nord a Monaco e la rete tedesca non può trasportare quella potenza, non ne è in grado, avrebbe quindi dovuto fare un giro lungo la Polonia e Ungheria ecc rientrando da sotto, pagando dazio a tutti questi per sfruttare la loro rete. Quindi hanno dovuto costruire nuove rete in corrente continua, per perdere meno durante il trasporto, al modico prezzo di 1,000,000 di euro.

Quindi il problema non è solo mettile, ma anche trasporta la potenza che produci. L'altro problema delle rinnovabili è la loro penetrazione, la quantità che la nostra rete può sopportare, in Italia è il 20-30%. Il problema è che è una penetrazione media che è del 30%, che non arriverà mai al 100% perché non è possibile, la sera la testa non la asciughi col solare, non c'è il sole…. Al massimo si arriva al 55%.

La soluzione delle smart grids

Come se ne può fare di più? Con le smart grids: Lo scopo è far transitare la nostra rete da un sistema come ora, ad uno più modulare, rete più piccole che dialogano con una rete più grande e poi quella madre, spostandoci su una gestione più locale dei consumi e degli utenti. Il vantaggio è che su una rete più piccola ho una gestione molto migliore dei consumi. Ad esempio se faccio la rete di sola Firenze modello la rete con gli ospedali gli uffici ecc.ecc, avrei così un modello di domanda molto più affidabile posso vedere se posso farlo con le rinnovabili, se invece devo fornire 3kW per tutti ho meno margine di manovra. Inoltre a livello locale ciò a cui si assiste ho un cambiamento come utente, non saremo più solo parassiti che attacca spina e chiede utenza, ma saremo proattivi, ad esempio so che dalle 8-17 sono al lavoro allora io dico che dal lunedì a venerdì contratto con la rete e invece di tenermi il contatore al classico 3kW me lo abbassi ad 1 kW perché non lo uso, la rete quindi guadagna spazio di giorno. Andando sul piccolo quindi io posso controllare meglio i consumi, l'utente diventa attivo, inoltre gli accumuli che non si possono fare su scala grande su scala piccola si può fare.

Essendo le rinnovabili fonti aleatorie, alla base del loro uso ci sono le previsioni del tempo, se io prevedo il comportamento del tempo posso prevedere la disponibilità delle rinnovabili quindi prevedere quanta potenza riuscirò a produrre, e quindi a gestire i flussi energetici. Potrei decidere di spegnere una centrale a combustibile fossile perché posso essere certo che domani ci sarà vento.

L'andamento delle rinnovabili è troppo altalenante e l'unico modo di stargli dietro è quello di rendere la rete il più flessibile possibile. Sul piccolo si fanno poi sistemi di accumulo molto efficaci, in una villetta in cui mettendo il fotovoltaico e batterie io posso renderla quasi autonoma, perché di giorno ho più pannelli fotovoltaici di quelli che mi servono, con l'avanzo carico la batteria e la uso di notte, cosa che non faccio con solo i pannelli fotovoltaici. Questo approccio si userà in futuro anche per la viabilità elettriche, in cui io uso la macchina come accumulo su 4 ruote che si carica di notte quando il carico elettrico cala.