Memoria sulla costruzione di una centrale Idrofotovoltaica nel territorio del comune di Collesano (PA).

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1 Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di Fisica - Cittadella Universitaria Monserrato (Ca) Palermo, 9 settembre 2011 Memoria sulla costruzione di una centrale Idrofotovoltaica nel territorio del comune di Collesano (PA). Introduzione Una delle più serie difficoltà connesse all utilizzazione su larga scala di fonti d energie rinnovabili, quali solare ed eolico, è rappresentata dal problema dell estrema variabilità della potenza fornita da queste fonti (ciclo giorno notte e diversa insolazione e meteorologia nei periodi invernale ed estivo) che spesso mal si concilia con la variabilità della potenza richiesta dalle diverse utenze nel corso della giornata e dell anno. A questo proposito è interessante citare un passo dell articolo apparso nel marzo 2007 sulla prestigiosa rivista scientifica Physics Today a firma di George Crabtree (direttore del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell Argonne National Laboratory, Illinois) e Nathan Lewis (Professore di Chimica al California Institute of Technology) due indiscussi esperti mondiali di conversione d energia solare in energia utilizzabile dall uomo: Il problema di immagazzinare efficacemente persino una sola frazione della nostra richiesta di picco di energia elettrica e di calore per almeno 24 ore è un compito ben aldilà della tecnologia oggi disponibile. A fronte di questo, nel medesimo articolo si sottolinea come i progressi nell efficienza di conversione dell energia solare in energia elettrica siano stati enormi negli ultimi anni (si è passati in pochi anni da efficienze del 4-5% alle attuali efficienze del 25% dei migliori prototipi di celle in Silicio monocristallino) e si fa notare come le opportunità oggi offerte dalle nanotecnologie consentono di immaginare nel prossimo futuro celle cosiddette di terza generazione con efficienze anche superiori al 60% (G. Crabtree & N. Lewis 2007, Physics Today, 37-42). Da quanto detto risulta chiaro che una proposta che possa consentire la produzione su larga scala d energia elettrica da fonti rinnovabili (fotovoltaico, in primo luogo, ed eolico), un efficace stoccaggio a basso costo, e un elevata velocità di trasformazione dell energia immagazzinata in potenza, onde soddisfare completamente le richieste di flessibilità imposte dalle diverse utenze, è estremamente interessante e merita sicuramente una sperimentazione adeguata. La novità della nostra proposta sta nella utilizzazione di una tecnica efficace, a basso costo ed a basso impatto ambientale, già utilizzata in passato per affrontare il problema. Tale tecnica consiste nell' usare l' energia potenziale dell'acqua a diversa quota per immagazzinare efficacemente l'energia elettrica prodotta con potenza altamente variabile. Il sistema di immagazzinamento costituito da due bacini a diversa quota collegati da condotte forzate è anche chiamato "Pila Idraulica" e la tecnica che utilizza l' energia elettrica per sollevare l' acqua dal bacino inferiore a quello superiore è detta "Ripompaggio".

2 Caratteristiche generali di una centrale "Idrofotovoltaica" e principi di funzionamento L' impianto "Idrofotovoltaico" qui di seguito descritto consta di due elementi: I. una centrale di produzione di energia attraverso pannelli fotovoltaici in Silicio Policristallino (in alternativa, la centrale di produzione potrebbe consistere di un adeguato sistema di pale eoliche); II. una centrale d immagazzinamento dell energia prodotta in energia potenziale d acqua contenuta in due serbatoi posti a quote differenti e connesse da una condotta forzata dotata di turbine per la produzione d energia idroelettrica e di pompe per il trasferimento dell acqua dal serbatoio a quota inferiore a quello a quota superiore. Il principio di funzionamento è il seguente: la centrale di produzione fornisce energia elettrica con potenza variabile, che è massima nelle ore di maggior insolazione del periodo estivo, di minore intensità al sorgere e tramontare del sole ed in condizioni di cielo nuvoloso, nulla durante le ore notturne (ovvero massima nelle ore in cui soffia un vento sostenuto, nulla durante le ore di assenza di vento, nel caso di pale eoliche). In funzione della richiesta dell utenza, parte di questa potenza viene direttamente immessa nella rete, mentre la potenza eccedente viene utilizzata dalla centrale d immagazzinamento per alimentare le pompe che provvedono al trasferimento d acqua dal serbatoio inferiore a quello superiore. Nel momento in cui la potenza richiesta dall'utenza supera il valore prodotto dalla centrale di produzione (notiamo espressamente che tale valore è nullo nelle ore notturne, o in assenza di vento, ove la centrale di produzione sia costituita da pale eoliche), la centrale d immagazzinamento provvede ad integrare la potenza fornita dalla centrale di produzione fino al valore richiesto dall' utenza utilizzando, per la produzione di elettricità, generatori accoppiati a turbine alimentate dal trasferimento di acqua dal serbatoio superiore a quello inferiore. In sostanza si costruisce una Pila Idraulica che usa l'energia potenziale dell'acqua a diversa quota per immagazzinare efficacemente l'energia elettrica prodotta dai pannelli solari (o dalle pale eoliche) con potenza altamente variabile. I punti di forza principali di un tale sistema sono i seguenti: i. Questo modo d immagazzinare energia è estremamente efficiente (intorno al 70% per l' intero ciclo, con turbine e pompe di tipo adeguato). ii. La conversione in potenza elettrica dell' energia potenziale accumulata nell' acqua è un metodo molto efficace e consiste in un opportuna regolazione del flusso d acqua in caduta (assai più versatile e veloce dell accendimento/spegnimento dei grossi generatori elettrici alimentati a combustibili fossili delle centrali termoelettriche). Questo consente di adattarsi perfettamente ed in tempi brevissimi anche ad un elevata variabilità del carico richiesto in rete. iii. La semplicità ed il tipo di funzionamento e l intrinseca sicurezza dell impianto consentono una completa automazione del processo. Nel nostro progetto l intero impianto viene gestito in maniera automatica da un computer preposto

3 allo scopo ed il personale richiesto è minimo (qualche unità per il monitoraggio del sistema informatico). L' impianto qui proposto usa tecniche estremamente sicure per la produzione e l'immagazzinamento di energia. In effetti, sono completamente assenti serbatoi per lo stoccaggio di petrolio o gas (come nelle centrali termoelettriche), e/o sistemi di turbine a vapore con gas a pressione e temperatura elevate che richiedono un monitoraggio continuo da parte di personale qualificato. iv. Il sistema è modulare e a bassissimo (quasi nullo) impatto ambientale. v. Le tecniche proposte per l'immagazzinamento e la successiva produzione d energia idroelettrica sono tecniche collaudate (il ripompaggio dell acqua agli invasi durante le ore notturne per assorbire la potenza eccedente in rete prodotta dalle centrali termoelettriche è pratica comune nelle odierne centrali idroelettriche). vi. La scalabilità della potenza da parte di un dispositivo idrofotovoltaico è lineare con le dimensioni del dispositivo stesso. Dimezzare la richiesta di potenza di energia comporta dimezzare sia le dimensioni dei serbatoi che quelle del ricoprimento fotovoltaico. Ciò lo rende particolarmente versatile e, soprattutto, adattabile ad ogni esigenza, sia questa un puro uso domestico di pochi kw che industriale dell ordine di alcuni MW. Specifiche tecniche di una centrale "Idrofotovoltaica" nel comune di Collesano Breve analisi del territorio: Collesano è un comune di (censiti al 31/12/2010) abitanti della provincia di Palermo, in Sicilia. La popolazione della Sicilia è di (censiti al 31/03/2011). Il consumo di energia elettrica del comune di Collesano è 15,566 GWh all' anno. Ad un prezzo di 0,1 /kwh, la spesa annua degli abitanti del comune di Collesano per l' energia elettrica risulta pari a L' insolazione solare media per un pannello di 1 m 2 in silicio con orientamento fisso ottimale permette di ottenere 210 kwh. Caratteristiche del progetto: Centrale di Produzione (Parco Fotovoltaico) Con la centrale Idrofotovoltaica proposta si intende sopperire al 67% del consumo elettrico, cioè a GWh per anno. Stante la resa energetica del territorio sopra indicata, la superficie in pannelli necessaria è di m 2. I pannelli saranno disposti su un terreno sito in contrada Garbinogara nel comune di Collesano. Questo terreno, di circa m 2, è stato sequestrato alla Mafia e destinato al Comune di Collesano. Si intende disporre i pannelli in diverse unità separate con una disposizione a scacchiera (onde evitare che i pannelli si facciano ombra a vicenda) che copre il 12% del terreno su cui insiste. Questo consente di disporre m 2 di pannelli su m 2 di territorio. Centrale di Immagazzinamento

4 Per l' immagazzinamento dell' energia prodotta si prevede un sistema di due bacini di uguale volume posti a quote diverse, con una differenza di quota pari a 600 m, e collegati da condotte forzate che alimentano un sistema di turbine/pompe posto in prossimità del bacino inferiore. Attraverso opportuni meccanismi di incentivazione tariffaria è possibile ottenere che gli utenti utilizzino l' energia elettrica secondo il seguente schema: 1. Il 65% dell' energia nelle 8 ore dalle 8:00 alle 16:00 (ore diurne, corrispondenti al 33% del giorno), il che corrisponde ad assumere che durante le ore diurne il consumo sia il 200% di quello medio. 2. Il 15% dell' energia nelle 6 ore dalle 5:00 alle 8:00 e dalle 16:00 alle 19:00 (ore crepuscolari, corrispondenti al 25% del giorno), il che corrisponde ad assumere che durante le ore crepuscolari il consumo sia il 60% di quello medio 3. Il 20% dell' energia nelle 10 ore dalle 19:00 alle 5:00 (ore notturne, corrispondenti al 40% del giorno), il che corrisponde ad assumere che durante le ore notturne il consumo sia il 50% di quello medio Dallo schema di utilizzazione proposto si ricava che circa il 20% dell' energia prodotta viene utilizzata dopo l' immagazzinamento e la successiva re-immissione nella rete durante le ore notturne. Tenendo conto che ciascuna vasca deve essere in grado di immagazzinare almeno il 20% della produzione giornaliera ed eventuali eccessi nella produzione fotovoltaica dovuti a condizioni meteorologiche favorevoli (intorno al 30% in più di insolazione media) per un periodo fino a 5 giorni consecutivi, il volume necessario per ciascuna vasca è di m 3. Le vasche possono avere la forma di parallelepipedi rettangoli di altezza 10 m e di area di base equivalente ad un quadrato di lato d = 50 m e superficie m 2, che è equivalente alla superficie di 2 piscine olimpioniche (50 x 25 m)! Produzione elettrica del sistema Idrofotovoltaico L' energia elettrica prodotta dall' impianto proposto risulta pertanto essere pari a 10,400 GWh all' anno che corrisponde al 67% del consumo di energia del comune di Collesano. Ad un prezzo di 0,1 /kwh, la spesa annua degli abitanti del comune di Collesano per l' energia elettrica prodotta dall' impianto proposto, risulta pari a annui. Analisi economica Ad un costo (industriale) di 80 /m 2, la spesa per i pannelli risulta pari a A questo costo vanno aggiunti i costi per la costruzione delle due vasche (50 x 50 x 10 m), delle condotte forzate, delle pompe e delle turbine idroelettriche (è probabilmente possibile utilizzare le pompe, reversibilmente, come turbine) e del sistema elettrotecnico/elettronico di controllo dell' intera istallazione. Questo costo, per cui la nostra stima è maggiormente incerta, è di circa Si stima pertanto un costo totale pari a Pertanto, al netto delle spese di manutenzione, si stima di poter ripagare l' investimento iniziale in circa 5 anni.

5 Luciano Burderi, professore associato del Dipartimento di Fisica dell Universita di Cagliari e afferente all Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF).