Impianti di conversione energetica - Riassunto dell'intero corso

1° parte

Contesto energetico

Infrastruttura energetica

I principali vettori di energia che soddisfano le domande di servizio energetico sono:

• Elettricità
• Gas naturale (per domande di calore per riscaldamento)
• Carburanti
• Acqua calda (per il teleriscaldamento)
• Acqua fredda (per il teleraffrescamento)

Noi trattiamo la rete dei carburanti perché non è strettamente collegata al riscaldamento se non con i motori a combustione interna. Trascuriamo inoltre acqua calda e fredda perché non sono facilmente trasportabili a lunghe distanze in più non è una rete ad interesse nazionale. Quindi ci concentriamo sui primi 2.

Sistema elettrico

Il sistema elettrico si articola in quattro fasi:

• Produzione
• Trasmissione
• Distribuzione
• Utenze

Una volta l'energia elettrica viene trasmessa attraverso la rete di alta - altissima tensione sulla rete di trasmissione, arriva in certi punti della rete nazionale, con la linea ad alta tensione, e poi viene distribuita a livello territoriale con la rete di distribuzione. Flusso di dati permette di garantire sulla rete l'esatto equilibrio tra domanda e offerta di energia. Questo equilibrio che si basa sullo scambio di dati prende il nome di Dispacciamento ed è molto importante soprattutto in presenza delle rinnovabili che hanno una produzione che non è né programmabile né prevedibile. Quindi il dispacciamento e l'attività di equilibrio sulla rete elettrica tra la domanda e la produzione (entrambe variabili), infatti, non essendo l'energia elettrica accumulabile su grande scala, devo produrre esattamente quello che serve.

Produzione

È importante notare che la domanda guida la produzione cioè l'aumento dei consumi porta ad installare più centrali. La domanda di energia è soddisfatta da:

• Fonti rinnovabile (tra cui troviamo idro elettrico, eolico, fotovoltaico e geotermico)
• Fonti fossili (gas e carbone)
• Import-export (per noi il nucleare che lo importiamo dall’estero)
• Nucleare (non presente in Italia)

Mix energetico insieme di fonti con cui uno stato soddisfa fabbisogno energetico. Andamento produzione, e quindi della potenza installata, in Italia dal 1931 ad oggi. Abbiamo molta più potenza rispetto che la domanda. Tuttavia, eolico e fotovoltaico non sono affidabili perché posso avere giornata no vento o no sole. Dal 2007 c’è un picco di rinnovabili a seguito di un boom per l’eolico e per il fotovoltaico. Le centrali fossili meno efficienti sono uscite dal mercato perché il costo marginale di energia era troppo alto e quindi non vendevano diminuzione dopo il 2011. Dal 1987 si è fermata la produzione di energia nucleare a seguito del referendum. Il contributo del geotermico è trascurabile. Le rinnovabili hanno assunto un ruolo importante in termini di potenza installata.

Andamento produzione fonti fossili

Contributo prodotti petroliferi trascurabile. Trascurabile anche il contributo dei gas derivati cioè il syngas (prodotto della gassificazione da scarti dell'industria petrolifera o comunque di raffineria). Con altri combustibili si intendono altri combustibili fossili derivati/sottoprodotti, qui entrano in gioco le biomasse che possono essere bruciate o gassificate. Anche il carbone sta diminuendo. La produzione italiana fossile è molto basata sul gas, quindi il gas rimane la fonte principale perché i cicli a gas hanno un rendimento più alto rispetto ai cicli a vapore (il carbone alimenta cicli a vapore).

Potenza da fonti rinnovabili

Andamento potenza di impianti idroelettrici è lineare. Andamento potenza degli impianti eolici e fotovoltaici è sempre crescente. È importante notare che l'andamento della produzione da fonti rinnovabili varia da anno ad anno a causa della non programmabilità. Infatti, molti degli impianti a fonti rinnovabili risentono dell'andamento dei fattori esterni come irraggiamento, vento e precipitazioni. Tuttavia, l’andamento del vento e dell'irraggiamento solare è più prevedibile rispetto alle precipitazioni che influenzano il riempimento dei bacini.

Trasformazione energia primaria

Come viene trasformata energia primaria di gas e carbone negli impianti termoelettrici? I cicli combinati hanno poche sezioni ad elevata potenza. Gli impianti a vapore possono essere a contropressione e a spillamento e condensazione che svincolano il processo termico dalla produzione di energia elettrica. Motori a combustione interna: hanno una produzione del 16% perché sono più efficienti e perché stanno accesi per più tempo rispetto ad altri. Cioè hanno una potenza del 13% ma stando accesi più ore e avendo efficienza maggiore sulla produzione finale hanno un peso del 16%. Sono molto diffusi perché hanno una tecnologia molto diffusa e facile da installare. Quindi abbiamo molti impianti di piccola taglia e quindi con poca potenza. Turbine a gas: hanno rendimento più basso ma hanno elevata flessibilità, inoltre sono utili per le utenze in cui serve fare vapore (le cartiere o i cementifici). I cicli combinati hanno un rendimento medio annuo quasi sempre sopra il 50% quindi a parità di MW/h l’impianto a ciclo combinato consuma meno metano cioè gas naturale. Di conseguenza può vendere il KW/h ad un prezzo più basso. (L'efficienza influenza il prezzo dell’energia) L'impianto di cogenerazione pur avendo un rendimento più basso produce anche calore quindi è ancora ampliamente utilizzato.

Andamento della domanda in Italia

Parte della domanda giornaliera è soddisfatta dalle fonti rinnovabili come eolico, fotovoltaico e idroelettrico e da generazione non rilevante (cioè impianti di generazione distribuita non necessariamente rinnovabili e quindi anche fossili al disotto di 10 MW). Con l'avvento delle fonti rinnovabili non si ha più un picco dalle 10 alle 12 perché quelle richieste sono soddisfatte dalle FER e quindi da energia a basso prezzo, mentre c'è un picco elevato dalle 20 alle 23. Quindi ho bisogno di meno centrali quelle che rimangono sul mercato sono le più remunerative. Curva gialla è fatta per la maggior parte da energia che non è programmabile (eolico produce quando c'è il vento e fotovoltaico produce quando c'è il sole), che è aleatoria (andamento varia nel tempo, la curva del fotovoltaico di oggi è diversa da quella di ieri perché è soggetta a una variabilità) e che non è prevedibile. Invece, un impianto con motore a combustione interna è prevedibile e programmabile perché so precisamente quanto mi produce e so quante ore al giorno lo tengo acceso. L'energia elettrica non si può accumulare e bisogna produrre esattamente quella che serve perché la curva grigia deve essere comunque garantita. Di conseguenza se la curva gialla ha un picco di produzione alle 9 AM, per esempio, devo andare a diminuire la curva tratteggiata, se invece c'è un calo della produzione da fonti rinnovabili (a causa, ad esempio, di una nuvola sopra il centro Italia) si deve compensare con l'impianto fossile. Quindi la mancata produzione con il rinnovabile deve essere sempre compensata con un impianto fossile per evitare che qualcuno rimanga senza energia elettrica (blackout). Un altro problema è quello della "Rampa". Quando non c'è più il sole, infatti, si ha un grosso calo della produzione di energia da fonti rinnovabili. Questo genera la necessità di fornire un'elevata potenza in un breve intervallo di tempo (dalle 19 alle 21) tramite fonti fossili. Dalla forma della curva dell’energia è possibile capire se stiamo parlando di un giorno festivo o di un giorno feriale. Nei giorni festivi, infatti, molte aziende sono chiuse e quindi la domanda di energia è più bassa, questo determina un cambiamento della forma e uno spostamento del picco di richiesta verso l'orario di pranzo. Inoltre, essendo la domanda più bassa riusciamo a coprire maggiormente la richiesta con le fonti rinnovabili. Il problema della rampa è ancora più accentuato. Anche la curva dei giorni lavorativi nelle zone del Sud è molto diversa; qui infatti si ha una produzione da fonti rinnovabili molto elevata a tal punto che si ha un rischio di sovrapproduzione, cioè staccano gli inverter (La troppa produzione da fonti rinnovabili crea un blocco della produzione stessa, questo blocco è dovuto alla rete, la rete deve essere attrezzata per ospitare fonti rinnovabili).

Sistemi di accumulo

Come si può ovviare in parte a questa situazione del taglio di produzione? Una possibilità è quella di utilizzare sistemi di accumulo di energia in quanto la rete non può ospitarla. Fino al 2019 i sistemi di stoccaggio principali erano i pompaggi idroelettrici. Quindi utilizzo l'energia in eccesso, prodotta da fonti rinnovabili, per alimentare le pompe che mi portano l'acqua nel bacino di monte, accumulando così energia potenziale. Il problema di questo metodo sta nel fatto che la quantità d'acqua che posso pompare a monte è limitata per evitare lo svuotamento del bacino a valle. Nei prossimi 20 anni è prevista l'introduzione degli storage, cioè dell'accumulo di energia, non solo tramite il pompaggio idroelettrico ma anche di tipo elettrochimico cioè le batterie. Nel 2030, invece, è previsto l'ingresso anche da parte dell'elettrochimico utility-scale cioè andare ad introdurre accumuli elettrochimici di grande potenza.

Trasmissione

Rappresenta il percorso che va dal trasformatore della centrale alla cabina primaria. È importante notare che quando parliamo di trasmissione facciamo riferimento solamente alle linee di alta e altissima tensione. Maggiore è la tensione minore è la corrente. Per ridurre gli effetti di perdita nelle lunghe distanze, dovuti alla corrente, utilizziamo un sistema ad alta o ad altissima tensione. La linea ad alta tensione arriva alle cabine primarie dove viene trasformata a bassa tensione e poi viene distribuita sul territorio. Tra trasmissione e distribuzione quello che cambia sono la tensione e il proprietario. Il servizio di trasmissione è gestito da TERNA che agisce in regime di monopolio e sulla base di concessione governativa. Quindi fa i nuovi piani di sviluppo della rete, manutenzione e servizio di monitoraggio dati. Il servizio di trasmissione riguarda l'infrastruttura quindi tralicci, cavi, manutenzione delle cabine primarie e connessioni con l'estero. Il dispacciamento, invece, è il servizio di garantire quarto d'ora per quarto d'ora l'equilibrio tra domanda e offerta di energia. Cioè garantisce che l'energia richiesta dai consumatori sia sempre in equilibrio con quella prodotta. La complessità di questo compito impone un coordinatore centrale. In qualità di System Operator Terna e titolare del servizio di dispacciamento nel sistema elettrico nazionale.

Distribuzione

Dalle cabine primarie partono le linee di media tensione che vengono distribuite alle cabine secondarie sul territorio. Le cabine secondarie trasformano la media tensione in bassa. Il distributore locale si occupa della distribuzione. Ci sono diversi distributori locali perché le linee di media e bassa tensione sono in appalto governativo e le concessioni durano 25 anni.

Smart grid

Nasce per fare equilibrio in tempo reale tra domanda e offerta. Quindi in tempo reale ci dice quanto sta producendo ogni impianto, quanto stanno consumando le utenze e lo trasmette al sistema elettrico nazionale quarto d'ora per quarto d'ora. Smart grid vuole dire proprio gestire il dato.

Utenza

Non riguarda solo le abitazioni ma anche il terziario, l'industriale, l'agricolo e la generazione distribuita. Questo perché l'utente finale talvolta è produttore e consumatore di energia elettrica (ad esempio chi possiede pannelli solari a casa consu-produttore). Essendo l'utente un piccolo produttore quando ha un surplus di energia lo immette in rete, inoltre auto-consumando l'energia andiamo a modificare il nostro profilo di domanda e quindi la domanda sulla rete elettrica nazionale. La generazione distribuita ha un ruolo importante ed è diffusa sul territorio ma riguarda per la maggior parte impianti di piccola taglia. La novità della transizione energetica non riguarda soltanto le fonti rinnovabili ma soprattutto il flusso di dati in tempo reale. Ovviamente questo pone nuovi problemi soprattutto riguardanti la gestione dei dati e la cybersecurity.

Differenze col sistema elettrico

• Il gas naturale si trova solo in alcune zone del pianeta e non può essere prodotto facilmente.
• Il gas naturale può essere immagazzinato e la rete del gas stessa è uno stoccaggio. Quindi non devo produrre una quantità precisa di gas per soddisfare la richiesta, come accade con l’energia.
• Non è facile trasportare il gas naturale solamente in due modi:
  • Attraverso un'infrastruttura fisica cioè il gasdotto
  • Attraverso il trasporto navale cioè attraverso le metaniere

Prima del trasporto, attraverso metaniere, il gas naturale viene liquefatto, per aumentare la sua densità, in modo da aumentare la quantità di gas trasportato. Successivamente va rigassificato, cioè riportato in gas. L'Italia prende il gas dalla Russia, dal Mare del Nord e dall’Africa. Ultimamente ci stiamo approvvigionando anche dall'Azerbaijan per motivi geopolitici. Snam Gas è come Terna ma per il gas è il principale operatore di trasporto e dispacciamento di gas naturale sul territorio nazionale. Anche il gas, come l'elettricità, viene trasportato in alta pressione che poi viene abbassata fino all'arrivo alle utenze. Sul territorio sono presenti diverse centrali di compressione perché ogni tot km di rete il gas subisce delle perdite di carico distribuite e in parte viene prelevato e quindi va ricompresso. Queste centrali sono dei gruppi turbogas che si alimentano con lo stesso metano che non producono elettricità ma che servono semplicemente per produrre potenza meccanica per far funzionare un compressore. La rete del gas svolge più funzioni:

• Trasporto
• Stoccaggio (Abbiamo un massimo di 5 giorni di autonomia a parità di consumi)
• Rigassificazione
• Regolazione (Principalmente una regolazione di pressione)

Il gas naturale pur avendo un altissimo contenuto di metano è diverso da quest'ultimo perché è costituito anche da altri gas come CO₂.

Transizione energetica: sector coupling

È una delle principali strategie per la decarbonizzazione e per la transizione energetica. Sector Coupling consiste nell’accoppiare i settori e quindi le reti. Anche il teleriscaldamento è Sector Coupling perché mette insieme almeno tre reti gas, elettricità e calore. Questo mi permette di andare a gestire in maniera flessibile e affidabile il sistema energetico, oltre che andarlo a decarbonizzare. Talvolta, se c'è una sovrapproduzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (surplus energetico), TERNA può chiedere agli utilizzatori di cogenerazione di consumare più energia; gli utilizzatori spengono i cogeneratori e utilizzano l'energia fornita da Terna. Per garantire il riscaldamento che prima era a carico del cogeneratore o si utilizzano le caldaie a gas naturale oppure si soddisfano le richieste attraverso un accumulo termico (Storage termico che mi permette un paio di ore di autonomia). Quindi inserisco uno Storage che mi permette di gestire meglio l’impianto fornendo flessibilità a parità di servizio senza consumare gas. L'accumulo termico o storage termico viene fatto con il calore di scarto del motore il cogeneratore produce elettricità e con il calore di scarto dei fumi e del circuito di raffreddamento dell’olio ci si scalda acqua calda che va a riscaldare la rete di riscaldamento. Tuttavia, la domanda di riscaldamento notturna è più bassa e quindi l'energia termica che si ha in eccesso durante questo periodo si utilizza per caricare l'accumulo (accumulo = cilindro che tiene l'acqua calda a 70 – 80 °C). Il Sector Coupling è possibile solamente se si fa teleriscaldamento di conseguenza in Italia è poco presente non si può fare una strategia nazionale. Negli anni il Sector Coupling ha subito almeno tre step di aggiornamento. Inizialmente l'obiettivo era quello di elettrificare gli usi finali con le pompe di calore o i boiler elettrici per il riscaldamento e attraverso i trasporti. Recentemente, però, ci si accorti che andare ad elettrificare gli usi finali è una spesa troppo grande perché richiede un potenziamento delle reti. Di conseguenza è stato ampliato il discorso di Sector Coupling non solo agli usi finali ma anche alla fornitura. Quindi si va a mettere insieme rete del gas con la rete elettrica attraverso le tecnologie power-to-gas. Andiamo ad utilizzare energia elettrica per fare gas non a ridosso degli utenti finali ma sulle reti, questo permette di utilizzare le infrastrutture esistenti dell.