Il fotovoltaico applicato alle serre in Sicilia

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1 ATS INNOVA C.S.A. sas Capofila ATS INNOVA Responsabile scientifico Carlo Alberto Campiotti-ENEA Progetto: Trasferimento di innovazioni tecnologiche e colturali nel processo di produzione del sistema serra per il miglioramento economico, la sostenibilità ambientale ed energetica della filiera delle colture protette in Sicilia. Il fotovoltaico applicato alle serre in Sicilia

2 INTRODUZIONE La Sicilia detiene più del 32% degli impianti serricoli italiani, pari a circa ha ( serre), localizzati prevalentemente lungo la fascia costiera meridionale, in primo luogo nella provincia di Ragusa. Questa, con 5000 ettari di serre e tonnellate di prodotti orticoli (pomodoro, peperone, zucchina e melanzana) occupa nell insieme circa il 90% della produzione in serra e produce un quinto di tutti gli ortaggi nazionali rappresentando uno dei distretti serricoli più importanti in Europa con valori economici della produzione stimati non inferiori a Euro/ettaro. Le principali aree serricole nell isola, dove la produzione di prodotti orticoli in serra rappresenta una componente tra le più importanti del tessuto socio-economico, ricadono in alcuni comuni come Ispica, Pachino, Ragusa,Vittoria, Scicli ed Acate. Pertanto, è evidente la necessità di uno sviluppo di serre dotate di impianti e strutture per consentire una modulazione ottimale dei parametri microclimatici secondo le esigenze biologiche ed agronomiche delle colture e in relazione alle diverse fasi di crescita e di sviluppo delle piante durante il ciclo colturale. COLTIVAZIONI Aziende che producono in serra e in pieno campo in Sicilia Numero di aziende che producono in serra (anno 2005) Numero di aziende che producono in pieno campo (Anno 2005) Numero di aziende che producono in serra (Anno 2007) Numero di aziende che producono in pieno campo (Anno 2007) Floricoltura Orticoltura Pomodoro Per quanto riguarda in modo specifico le richieste di energia per il riscaldamento delle serre, in Italia si passa dai 3 5 kg/m 2 /anno di gasolio delle aree che ricadono nella fascia costiera meridionale della Sicilia, fino ai kg/m 2 /anno di gasolio richiesti per le regioni settentrionali. Attualmente, la serricoltura siciliana, su una superficie di circa 9000 ettari, presenta una percentuale di serre non superiore al 2% dotata di impianti di condizionamento termico invernale, utilizzati soprattutto da aziende florovivaistiche, e costituiti in massima parte dalla installazione di una semplice caldaia da Kcal/h per ogni serra di 1000 m 2, con canalizzazione dell aria calda erogata. Soltanto eccezionalmente nella serricoltura siciliana si ricorre al condizionamento di 2

3 altri parametri climatici (luminosità-umidificazione-deumidificazione-ventilazione artificiali), se si esclude la superficie destinata alla coltivazione programmata del crisantemo (circa 40 ettari). Per contro, se ancora poco è stato fatto per sopperire alle limitate necessità di riscaldamento termico nel periodo ottobre-marzo, praticamente la serra non viene utilmente utilizzata nei periodi caldi (maggio-settembre) per la mancanza totale di impianti di climatizzazione per il controllo delle alte temperature, con una totale penalizzazione dell attività delle imprese serricole, in quanto la maggior parte dei serricoltori interrompe i cicli colturali piuttosto che sostenere i costi di installazione e soprattutto di esercizio di impianti di raffrescamento. ANALISI DELLA DISPONIBILITA ENERGETICA Per l Italia, geograficamente compresa tra le latitudini 35 e 45 Nord, la radiazione solare media incidente ha un valore globale pari a kwh/m 2 *anno per le regioni settentrionali e di kwh/m2*anno, equivalenti all energia contenuta in kg di gasolio, con rapporti tra radiazione estiva e invernale di 6 7 al Nord e di 3,5 4,5 al Sud, con punte di irraggiamento medio annuo fino a kwh/m 2 per alcune aree specifiche della Sicilia quali: la piana di Gela, le zone di Mazara del Vallo, Marsala, Vittoria e la piana di Catania e la zona pianeggiante di Trapani Birgi (ENEA, 2000). Tali valori indicano che la risorsa solare disponibile se razionalmente sfruttata con moduli solari fotovoltaici, integrati da sistemi e tecniche adeguate di stoccaggio e distribuzione dell energia prodotta, sarebbe in grado di garantire una una produzione di energia elettrica sufficiente per le utenze energetiche delle serre (ventilazione e/o raffrescamento) durante i periodi di caldo intenso, oltre alle richieste annuali di pompaggio di acqua e di motorizzazioni per la serra. Purtroppo, uno studio sistematico ed esauriente sulla struttura tecnica e tecnologica di sistemi serra innovativi in grado di utilizzare la risorsa solare per la climatizzazione sia estiva sia invernale, con le specifiche sugli aspetti funzionali e tipologici di ordine costruttivo in relazione agli aspetti climatici, colturali e produttivi di specifiche aree serricole, non è ancora compiutamente e praticamente disponibile per le imprese del comparto delle Colture Protette. Il Progetto INNOVA ha proposto agli agricoltori lo sviluppo di un sistema serra provvisto di moduli solari FV per la produzione di energia elettrica, da installare adiacenti o integrati alla struttura della serra (sopra i corridoi interni e in adiacenza ai laterali esterni della serra). In questo modo, l energia elettrica fotovoltaica prodotta soprattutto durante le stagioni primavera-estate sarebbe sufficiente per evitare mediante l attivazione di sistemi di ventilazione o raffrescamento (sistemi cooling) le 3

4 forti escursioni termiche nei mesi di transizione stagionale, che spesso condizionano negativamente i parametri che si riferiscono alla qualità delle produzioni (per il pomodoro: vitamina C, contenuto di zuccheri, acidità titolabile e la loro interazione ai fini del gusto del frutto). LA RISORSA SOLARE PER LA CLIMATIZZAZIONE SOSTENIBILE DELLE SERRE I problemi connessi con l utilizzazione della risorsa solare per la climatizzazione delle serre sono riconducibili alla discontinuità dell energia solare durante l anno e di conseguenza allo sviluppo di idonei sistemi e processi sia per accumulare l energia prodotta sia per distribuirla nella forma più compatibile con i limiti di rendimento dei pannelli captatori e delle modalità di distribuzione alle piante. Facendo riferimento alla quantità teorica di energia che sarebbe possibile produrre con un impianto fotovoltaico per le richieste energetiche della serra, possiamo dire che in una tipica zona del Meridione un metro quadrato di moduli fotovoltaici produce un energia media giornaliera pari a 0,3 0,4 kwh el nel periodo invernale, e a 0,6 0,8 kwh el in quello estivo. Le figure che seguono mostrano l energia solare disponibile per la penisola italiana. 4

5 Isoradiative a gennaio (kwh/m 2 ) Isoradiative a giugno (kwh/m 2 ) L installazione con sistemi PV genera per l impresa agricola sia l autonomia energetica e sia la produzione di energia elettrica in surplus per la vendita sul mercato dell energia, tuttavia la tecnologia della serra fotovoltaica sebbene ormai matura sotto l aspetto commerciale presenta 5

6 ancora problemi che si riferiscono alla necessità di maggiori dati sulla riduzione di luce all interno della serra. Un ulteriore elemento di studio che richiede maggiori approfondimenti è rappresentato dalla necessità di definire tipologie di serra fotovoltaica capaci di integrarsi in modo virtuoso con le economie agricole locali, i contesti territoriali e i vincoli paesaggistici (1 MW fotovoltaico richiede fino a 3 ha di terreno se consideriamo la necessità di servizi e strutture di supporto). Purtroppo, l attuale legislazione comporta un puzzle di norme e di criteri che spesso indirettamente favoriscono la proliferazione di impianti non agricoli. Una particolare applicazione della serra fotovoltaica prevede l accoppiamento con sistemi serra semi-chiusi e controllati. Infatti, questa tipologia di serra avanzata consente sia di massimizzare la produttività e la qualità delle colture vegetali e sia di favorire significativi risparmi di energia, di acqua e di emissioni di CO 2. La tipologia definita serra building, infatti, consente di ottenere numerosi vantaggi nei confronti delle serre tradizionali, tra i quali i più importanti sono: (a) uso di energia rinnovabile, (b) applicazione di protocolli di sicurezza alimentare e certificazioni ambientali, (c) massimizzazione dei sesti d impianto per le piante mediante bancali idroponici multi-livello che consentono lo sfruttamento ottimale del volume dell ambiente protetto, (d) riciclo dell acqua e dei nutrienti, (e) minimizzazione degli impatti visivi ed ambientali sul territorio, (f) coefficienti di trasmissione del calore pari a 1/10 di quello di una serra tradizionale (mediamente pari a 5-6 Wm -2 K -1 ). Nel caso di colture vegetali con basse esigenze luminose si possono utilizzare sistemi luminosi di tipo LED (Light Emitting Diodes) per integrare la luce naturale mediante l impiego di moduli fotovoltaici per produrre l energia elettrica necessaria. IL SISTEMA FOTOVOLTAICO 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. I sistemi fotovoltaici sono classificabili rispetto alla loro eventuale connessione alla rete elettrica: - gli impianti senza accumulo e collegati alla rete elettrica (grid connected) - gli impianti con accumulo (stand alone). Questi ultimi sono provvisti di accumulatori per accumulare durante il giorno, nelle ore di sole, l'energia elettrica da utilizzare poi durante la notte o quando il sole è coperto. 6

7 I moduli fotovoltaici sono caratterizzati da disposizioni in serie/parallelo di celle, al fine di produrre una certa Potenza di picco, sotto una data Tensione. (Fig. 1), entrambe funzione dell irraggiamento solare istantaneo. Fig. 1. (Tratto da Castello S.- Aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. ENEA) 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. Per ovviare a questo problema si inseriscono due apparecchi elettronici: il primo è un sistema di condizionamento della potenza, mentre il secondo è un sistema di conversione da corrente continua ad alternata, detto inverter (Fig. 2). Il condizionamento della potenza, DC/DC converter, serve anche per l inseguimento del punto di massima potenza del generatore fotovoltaico. Le caratteristiche di uscita dell inverter riguardano invece 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. Finalità del condizionamento di potenza Impianti isolati Adatta le caratteristiche del generatore PV all utenza Gestisce l accumulo (continuità dell alimentazione in assenza di sole) Impianti collegati alla rete Converte la corrente continua in alternata Adatta il generatore PV alla rete (MPPT) Controlla la qualità della potenza immessa in rete (distorsione e rifasamento) 7

8 Fig. 2. (Tratto da Castello S.- Aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. ENEA) L impianto fotovoltaico dotato di accumulatore permette di poter aumentare l autonomia energetica accumulando l energia prodotta in eccesso in eventuali fasi di surplus per poi rilasciarla in periodi di deficit energetico. Nei sistemi fotovoltaici il generatore è quindi collegato a seconda dei casi, alla batteria, agli apparecchi utilizzatori o alla rete, tramite un sistema di controllo e condizionamento della potenza. Nei sistemi isolati il sistema di condizionamento della potenza adatta le caratteristiche del generatore fotovoltaici a quelle dell utenza e gestisce il sistema di accumulo attraverso il regolatore di carica. In particolare il regolatore di carica serve sostanzialmente a preservare gli accumulatori da un eccesso di carica ad opera del generatore fotovoltaico e da un eccesso di scarica dovuto all utilizzazione, entrambe condizioni nocive alla salute e alla durata degli accumulatori. Ovviamente, essendo la captazione dell energia legata alla radiazione solare, l angolo di azimuth e di tilt del pannello solare PV determinerà il valore di tale energia captata e convertita in energia elettrica. I grafici sottostanti mostrano l andamento della variazione in funzione dei due parametri e della stagione per un pannello orientato a Sud (Fig. 3). 8

9 Fig. 3. (Tratto da Castello S.- Aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. ENEA) Lungo le coste dell Italia Meridionale ed Insulare domina un clima a grande scala di tipo mediterraneo, con livelli di irraggiamento medio annuo che, sebbene inferiori a quelli dei climi desertici a pari latitudine (es. California e Nevada), sono del tutto accettabili per applicazioni pratiche ( kwh/m 2 /anno in specifiche aree della Sicilia, della Sardegna e della Puglia.) Nelle tabelle seguono si riportano dati riferiti alla produzione di energia elettrica con sistemi FV. ELETTRICITA FOTOVOLTAICA PER I SISTEMI SERRA Radiazione su piano orizzontale Radiazione (kwh/m 2 /giorno) Dicembre Luglio Medio annuo o ore eq. Milano Roma Palermo

10 Radiazione su piano inclinato (con angolo pari alla latitudine) Radiazione (kwh/m 2 /giorno) Dicembre Luglio Medio annuo o ore eq. Milano Roma Palermo NOTA: le ore-equivalenti rappresentano il numero di ore di insolazione nell'arco dell'anno riportate alla condizione di irraggiamento nominale (1000 W/m²). Nota la potenza nominale dell'impianto, è possibile calcolare immediatamente l'energia associata (nella pratica tuttavia la potenza è l 85% di quella nominale). Le tabelle che seguono mostrano la capacità produttiva degli impianti fotovoltaici in Italia. Capacità produttiva di un impianto fotovoltaico con moduli FV differenti Località geografica Moduli in silicio cristallino Moduli in silicio policristallino Energia utile per 1kWp installato kwh/(m 2 x anno) kwh/(m 2 x anno) kwh/(m 2 x anno) Nord Italia Centro Italia Sud Italia Fonte: ENEA, 2005 Capacità produttiva di un impianto fotovoltaico a differenti latitudini Località geografica Radiazione solare Elettricità prodotta (in corrente alternata) (kwh/(m 2 x anno) da un sistema di 1 kwp (moduli fotovoltaici in silicio cristallino) Nord Italia Centro Italia Sud Italia Fonte: da fonti differenti (ENEA, ENEL, GRTN) 10

11 CONCLUSIONI Per le utenze elettriche dei sistemi serra si prospetta una potenzialità concreta per la copertura integrale mediante il fotovoltaico delle utenze che richiedono energia elettrica. In particolare, le attività dimostrative in corso sono focalizzate soprattutto sulle seguenti tematiche : metodologie per la migliore combinazione della superficie necessaria di pannelli fotovoltaici per coprire i livelli di energia richiesti dalla climatizzazione primavera- estate delle serre; programmazione della disponibilità di energia fotovoltaica rispetto alle domande energetiche del sistema serra (sia di minima sia di massima); ottimizzazione dei periodi di climatizzazione fotovoltaica in relazione al periodo temporale, alle fasi di sviluppo fisiologico delle piante, alle condizioni climatiche esterne; BIBLIOGRAFIA Campiotti, C., Balducchi, R., Dondi, F., Genovese, N., Alonzo, G. and Catanese, V a. Renewable energy for greenhouses. (in Italian). ENEA report RT/2007/32/BAS. Castello s.- aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. ENEA ENEA and University of Palermo Studio di fattibilità e valutazione sull utilizzo di varie fonti energetiche per le serre in Sicilia (in Italian). European Commission. Green Paper - A European Strategy for Sustainable, Competitive and Secure Energy (COM(2006) 105 final). EU energy policy. Integrated energy and climate change package (COM(2007)1 final) (8/9 March 2007). Rocamora, M.C. and Tripanagnostopoulos, Y Aspects of PV/T solar system application for ventilation needs in greenhouses. Acta hort