Modelli per la stima della radiazione solare diretta e globale: applicazioni e verifiche

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1 Modelli per la stima della radiazione solare diretta e globale: applicazioni e verifiche Elena Collino, Matteo Masotti, Dario Ronzio Febbraio 2010 Area: Produzione di energia elettrica e protezione dell ambiente

2 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 1/82 Contratto Accordo di programma con il Ministero dello Sviluppo Economico per le attività di ricerca e sviluppo di interesse generale per il sistema elettrico nazionale. Piano Annuale di realizzazione Oggetto Modelli per la stima della radiazione solare diretta e globale: applicazioni e verifiche PUBBLICATO (PAD ) Progetto Linea di Ricerca Deliverable Note STUDI SUI POTENZIALI SVILUPPI DELLE ENERGIE RINNOVABILI Studi e strumenti per la produzione di energia da fonte eolica e da altre fonti 14 La parziale riproduzione di questo documento è permessa solo con l'autorizzazione scritta di ERSE. N. pagine 82 N. pagine fuori testo 0 Data 28/02/2010 Mod. RPRDS v. 03 Elaborato Verificato Verificato Approvato Approvato ASV Ronzio Elena Dario Collino, (ASV), Dario Collino Ronzio Elena (ASV) AUT AUT ASV Matteo Paolo Masotti Bonelli Bonelli Paolo (ASV) VER ASV Antonio Negri Negri Antonio Nicola (ASV) APP ENEA Ricerca sul Sistema Elettrico S.p.A. via R. Rubattino, Milano - Italia Tel Fax Capitale sociale Euro i.v. R.I. di Milano, C.F. e P.IVA , N. R.E.A ISO 9001 CH-32919

3 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 2/82 Indice SOMMARIO INTRODUZIONE Criticità delle energie rinnovabili in Italia Meteorologia ed energie rinnovabili La ricerca PANORAMA NAZIONALE E INTERNAZIONALE Situazione italiana ENVISOLAR PVSAT HELIOSAT HELIOCLIM-SODA VIEM (Virtual Institute of Energy Meteorology) Considerazioni MONITORAGGIO DA TERRA STIMA DELLA RADIAZIONE SOLARE DA SATELLITE Introduzione Indice di copertura da satellite Dati utilizzati Descrizione dell algoritmo Verifica Conclusioni Stima della durata del soleggiamento da satellite Introduzione Descrizione dell algoritmo dell'indice di soleggiamento Verifiche preliminari effettuate sul sito di Andermatt (CH) Conclusioni STIMA E PREVISIONE DELLA RADIAZIONE SOLARE DA MODELLI METEOROLOGICI Introduzione La catena modellistica di ERSE Caratteristiche di LAMI Caratteristiche del modello di trasferimento radiativo Analisi di campi in quota di LAMI Verifica a cielo sereno del modello di trasferimento radiativo Verifica a cielo nuvoloso del modello di trasferimento radiativo Conclusioni COLLABORAZIONI ATTIVATE Collaborazione tra ERSE ed ENEL IIN Collaborazione tra ERSE ed ENEA DIFFUSIONE CONCLUSIONI E PROSPETTIVE Copyright 2010 by ERSE. All rights reserved - Activity code 1066/03

4 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 3/82 9 BIBLIOGRAFIA RINGRAZIAMENTI Copyright 2010 by ERSE. All rights reserved - Activity code 1066/03

5 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 4/82 STORIA DELLE REVISIONI Numero Data Protocollo Lista delle modifiche e/o dei paragrafi modificati revisione 0 28/02/ Prima emissione SOMMARIO Il presente Rapporto è parte integrante della documentazione delle attività di Ricerca di Sistema previste dal Piano Annuale di Realizzazione 2009 nell ambito del progetto STUDI SUI POTENZIALI SVILUPPI DELLE ENERGIE RINNOVABILI (Area PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E PROTEZIONE DELL AMBIENTE ) e ne costituisce il Deliverable 14. Il rapporto descrive il lavoro svolto nel primo anno della Ricerca di Sistema sui modelli per la stima dell energia solare da satellite e per la previsione a più giorni in avanti. Nel primo caso si descrive l algoritmo usato per convertire due dei canali del satellite europeo Meteosat, infrarosso e visibile, in un indice di copertura e di soleggiamento. Nel secondo caso si riportano i risultati ottenuti con modelli meteorologici ad area limitata accoppiati a modelli diagnostici di trasferimento radiativo. Alla descrizione dei modelli e delle loro problematiche d uso si affianca la descrizione delle numerose simulazioni effettuate su casi reali. A tal scopo ERSE ha attivato accordi di collaborazione con alcuni gestori di impianti solari come ENEL ed sviluppatori di centrali solari a concentrazione come ENEA.

6 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 5/82 1 INTRODUZIONE Criticità delle energie rinnovabili in Italia Il forte interesse in Italia verso le energie rinnovabili sia da fonte eolica che solare è un dato di fatto, dimostrato dai dati sull'incremento di questo tipo di energia prodotta dal 2007 al Per l'eolico la potenza installata è aumentata del 30% raggiungendo i 3737 MW 2, mentre l'energia prodotta è salita del 21 %. Per quanto riguarda il solare fotovoltaico, principale tipologia oggi presente in Italia, negli stessi anni si è passati da 87 a 432 MW di potenza installata 3. Queste cifre, assieme agli obiettivi del 2020, che la Commissione Europea ha fissato per le energie rinnovabili, fanno pensare che l interesse attorno a queste fonti energetiche non diminuirà nei prossimi anni ma anzi porterà a coinvolgere sempre più il sistema elettrico nazionale nella sua globalità. Contemporaneamente emergono già alcune criticità del sistema elettrico italiano, dovute a questo forte incremento, già emergono per esempio nell'ambito del trasporto dell'energia rinnovabile sulla rete AT, nella distribuzione territoriale degli impianti e nel loro impatto ambientale. A titolo di esempio degli effetti di questo veloce sviluppo delle energie rinnovabili, nella figura 1 è mostrata la distribuzione tra Nord, Centro e Sud della potenza solare attualmente installata. Come si può notare la distribuzione non rispecchia le caratteristiche del clima italiano comunemente conosciute. Si trovano infatti maggiori investimenti nelle regioni del Fotovoltaico in Italia: potenza installata (MW) per area 125 Dati GSE 01/04/ Nord Centro Sud Nord soggette sicuramente ad una minore radiazione solare annua. Un altra criticità è rappresentata, nel settore eolico, dalla distribuzione del vento medio, mostrata dall'atlante Eolico Italiano 4, che evidenzia come la distribuzione delle aree più ventose sia tutt'altro che compatibile con l'attuale geografia della rete elettrica di trasporto, che privilegia ovviamente le regioni con maggior produzione da fonti fossili e maggior consumo. Figura 1 Un altro problema non trascurabile riguarda la collocazione ottimale di nuovi impianti eolici, dove è necessaria una conoscenza dettagliata del clima locale specialmente in siti orograficamente complessi, che sono anche i più produttivi. Tale conoscenza può essere ottenuta solo attraverso misure ad hoc e/o simulazioni modellistiche ad alta risoluzione, perché gli attuali atlanti non forniscono la necessaria accuratezza, sebbene non tutti gli investitori possono permettersi indagini di questo genere. 1 Gran parte di questa introduzione è volutamente ripetuta nel deliverable n. 13 " Studio della relazione energia producibile/prodotta per un campo eolico su terreno complesso con modelli meteorologici dinamici" della stessa linea di ricerca. Questo per ribadire la comunanza di alcune problematiche meteorologiche per ambedue le fonti solare ed eolica. 2 Fonte ENEA 3 Fonte GSE e Terna 4 ERSE, ATLAEOLICO

7 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 6/82 Sulla base delle suddette considerazioni, chi si occupa di ricerca sul sistema elettrico non può trascurare di affrontare scientificamente il problema della fonte primaria dell'energia rinnovabile dal punto di vista della sua variabilità nello spazio e nel tempo. Due sono le riflessioni che forse possono spiegare perchè finora questo problema è stato affrontato solo marginalmente. La prima riflessione nasce dal fatto che il sistema elettrico italiano ha finora avuto a che fare con una fonte praticamente gestita dall uomo, i combustibili fossili, mentre adesso è soggetto anche ad un altra risorsa affidata alle leggi naturali. Questa differenza è ben espressa dall attributo aleatorio che spesso accompagna l energia prodotta dal vento e dal sole, e, in certa misura, anche quella prodotta dall acqua. Le vicende umane che influenzano la produzione e il costo del petrolio o del carbone sono altrettanto imprevedibili, ma è opinione comune che tutto quello che dipende dall uomo ci fa sentire più sicuri di poterlo comunque controllare. La seconda riflessione è sulla disponibilità della fonte rinnovabile. L attributo rinnovabile fa pensare a qualcosa di infinito, ma sappiamo tutti che la quantità di energia estraibile dal sistema atmosfera-oceano è limitata, dallo spazio disponibile e dall efficienza dei dispositivi di trasformazione. Inoltre chi si occupa di scienze della terra ed in particolare del sistema atmosfera-oceano sa che questi sistemi non sono mai statici, presentano invece loro dinamiche proprie che si manifestano con variazioni a periodicità diversa delle grandezze energetiche o, come si usa dire, con scale temporali diverse. Ad esempio la radiazione solare che arriva sulla superficie è modulata da una oscillazione astronomica molto precisa, sovrapposta alla grande variabilità della copertura nuvolosa del cielo. Il vento è una fonte tutt altro che periodica e risente della circolazione generale dell atmosfera come degli effetti locali dell orografia. Infine anche la disponibilità di acqua dal cielo dipende da processi atmosferici molto complessi. Su tempi lunghi, dell ordine delle decine di anni, i valori medi di queste grandezze non sono stabili ma possiedono proprie oscillazioni e, argomento di grande attualità, sono soggette a trend provocati dalle alterazioni umane dell atmosfera. A titolo di esempio in Figura 2 è mostrato l'andamento nel corso di più di 50 anni del numero di giorni con sole (cielo sereno) in Lombardia 5. Sono anche rappresentati i periodi di riferimento di alcuni atlanti solari. Il numero di giorni con sole è una grandezza che su tempi lunghi può essere collegata alla potenza solare producibile. La grande variabilità interannuale mostrata in Figura 2 dimostra che, se si vuole stimare la produzione di un impianto su tempi confrontabili con la vita dell impianto stesso, non basta misurare la radiazione solare su un sito per pochi anni. Il carattere aleatorio delle fonti rinnovabili sta già ponendo problemi a chi gestisce giorno per giorno e ora per ora i transiti di energia su una rete elettrica con capacità non infinita. Chi invece vende o compra energia sul mercato elettrico, che vede i prezzi variare continuamente, necessita di anticipi di qualche giorno. Su tempi ancora più lunghi vi sono le esigenze di chi investe i capitali sugli impianti di produzione o chi pianifica politiche energetiche. Tipicamente i capitali investiti nell'energia eolica o solare sono soggetti a tempi di ritorno oltre i 10 anni. Anche le politiche pubbliche di incentivazione verso le rinnovabili devono agire su tempi lunghi, così come la pianificazione dello sviluppo della rete elettrica. Da queste brevi considerazioni scaturisce la consapevolezza che la variabilità delle fonti rinnovabili interagisce in modo complesso con tutte le scale temporali tipiche della gestione dell energia da parte umana. In breve possiamo dire che gli output del sistema atmosfera-oceano costituiranno sempre più gli input della dinamica del sistema elettrico. Studiare e prevedere la variabilità delle fonti rinnovabili è 5 La percentuale di giorni sereni in un anno è ricavata da osservazioni di copertura nuvolosa in diverse stazioni della Lombardia appartenenti al Servizio Meteorologico dell'aeronautica.

8 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 7/82 quindi necessario per arrivare ad una migliore gestione del sistema elettrico e per meglio pianificarne il suo sviluppo. Figura Meteorologia ed energie rinnovabili Lo studio delle interazioni tra i due sistemi, elettrico e atmosferico, deve necessariamente coinvolgere competenze nel campo della dinamica dell atmosfera e dell oceano e opportuni strumenti d indagine. Gli studi in questo campo possono essere fatti essenzialmente usando strumenti di misura e modellistici. I primi comprendono le stazioni al suolo opportunamente strumentate da misuratori standard di radiazione solare globale (proveniente da tutta la volta del cielo) e diretta (proveniente solo dal disco solare). Sempre tra gli strumenti di misura vi sono anche i satelliti meteorologici, che permettono di determinare le caratteristiche della nuvolosità e, sia pur indirettamente, la radiazione solare che giunge al suolo. Una particolarità estremamente interessante dei satelliti è la vasta copertura spaziale e il basso costo di gestione se rapportato al numero di punti di misura disponibili. Gli strumenti modellistici sono indispensabili per stimare la radiazione solare a partire dalle altre variabili meteorologiche, utilizzando le relazioni fisiche tra queste. I modelli meteorologici simulano la dinamica di tutte le variabili atmosferiche principali, quali: temperatura, vento, contenuto di acqua nei tre stati, per arrivare a stimare la radiazione solare nelle sue componenti globale e diretta. Il vantaggio dei modelli meteorologici è la grande copertura spaziale e temporale e la flessibilità d uso, potendo simulare il passato e il futuro.

9 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 8/82 I due strumenti d indagine, misure e modelli, non sono in alternativa tra loro ma devono necessariamente essere presenti in qualsiasi ricerca sulla radiazione solare, infatti la grande mole di dati che quotidianamente viene generata dalle reti di stazioni meteorologiche e dai satelliti è una base essenziale per definire uno stato iniziale del sistema che poi servirà come input per i modelli. Se il sistema atmosferico ha parecchi gradi di libertà il suo stato iniziale sarà definito da molte variabili che concorreranno tutte assieme a stabilire lo stato finale dopo un certo tempo. Definire stato iniziale e finale con una sola variabile, ad esempio quella interessata, in modo da semplificare il modello, è un illusione che può portare ad errori di previsione non statisticamente stabili nel tempo. Misure affidabili di radiazione solare al suolo sono essenziali per la verifica delle stime dei modelli, anche se in pochi punti. Le stime da satellite sono invece importanti per conoscere le caratteristiche climatiche di vaste aree di territorio e per avere un informazione sulla nuvolosità. 1.3 La ricerca 2009 Nel presente rapporto di deliverable si descrive il lavoro effettuato nell ambito del Progetto Studi sui potenziali sviluppi delle energie rinnovabili, anno 2009, per affrontare le tematiche del monitoraggio dell'energia solare e della sua previsione a breve scadenza mediante modelli meteorologici. Il lavoro descritto, svoltosi nel 2009, riprende quanto iniziato nella Ricerca di Sistema del 2008 nell'ambito della tematica della Generazione Distribuita. 6 In quel lavoro, infatti si erano sperimentate tecniche di previsione con reti neurali, per la previsione di radiazione globale e temperatura a scadenze fino a 6 ore, e con i modelli meteorologici fluidodinamici per previsioni oltre le 24 ore. Inoltre, sempre in quel lavoro, è presente un indagine bibliografica sulle tecniche di stima della radiazione solare da satellite. Nel 2009 sono state esplorate maggiormente le potenzialità di strumenti modellistici utili alla stima preventiva della radiazione e a quelli da satellite. In particolare nel presente rapporto si descrivono: gli algoritmi impiegati per la stima da satellite dell'indice di insolazione e la sua verifica con misure al suolo (paragrafo 4); i metodi per la previsione fino a tre giorni in avanti della radiazione diretta, globale e diffusa mediante modelli meteorologici e sua verifica con misure al suolo (paragrafo 5). I satelliti meteorologici geostazionari offrono la possibilità di monitorare le nubi in modo continuo su grandi aree continentali con risoluzioni spazio-temporali sufficientemente spinte. Il monitoraggio delle nubi, principale fattore di attenuazione della radiazione solare, è essenziale per stimare l energia che arriva sulla superficie. Inoltre programmi europei come il Meteosat hanno durate molto lunghe permettendo così un monitoraggio costante anche per le applicazioni climatiche. La previsione a scadenza maggiore di 24 ore serve a stimare l'energia che sarà immessa nella rete o comunque disponibile per una smart-grid. La stessa previsione deve essere inoltre disponibile su un vasto territorio specialmente per quei produttori che hanno molti impianti solari sparsi e che devono necessariamente conoscere l'energia complessiva producibile da vendere sul mercato elettrico. La previsione, anche a scadenze più brevi, riveste invece un ruolo importante per le centrali solari termiche a concentrazione, come quella in costruzione a Priolo da parte dell'enel ed ENEA, perchè permette una gestione ottimale ed in sicurezza della centrale nei confronti di eventi meteorologici in rapida evoluzione. 6 Claudio Bossi, et al., " Modelli previsionali di grandezze meteorologiche per l ottimizzazione della gestione di una microrete con Generazione Distribuita", Rapporto di Deliverable del Progetto: Sviluppo e sperimentazione di sistemi di gestione di microreti, RdS , ERSE prot:

10 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 9/82 Gli stessi modelli che producono una previsione di radiazione solare sono anche in grado di simulare per lunghi periodi di tempo la radiazione su una particolare area (la grandezza dell'area dipende dal tempo di calcolo disponibile) in modo tale da stimare grandezze statistiche utili per caratterizzarla climaticamente e calcolarne la producibilità su lunghi periodi. Altra attività di una certa importanza condotta nel 2009 è stata la collaborazione con ENEA ed ENEL Ingegneria e Innovazione S.p.A. (ENEL IIN) nel campo solare che ha permesso di finalizzare meglio la ricerca in questo campo, come descritto nel paragrafo 6.

11 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 10/82 2 PANORAMA NAZIONALE E INTERNAZIONALE Per quanto riguarda lo stato dell arte sulla stima della radiazione da satellite, una parte è stata riportata nel rapporto di RdS del 2008: Modelli previsionali di grandezze meteorologiche per l ottimizzazione della gestione di una microrete con Generazione Distribuita, già citato precedentemente. In questo paragrafo invece, allo scopo di integrare quanto già riportato, si sono raccolte le informazioni più importanti sui servizi realizzati dai diversi consorzi internazionali dedicati alla valutazione della fonte solare e oggi disponibili al pubblico a pagamento o gratuitamente. 2.1 Situazione italiana In ambito nazionale, gli enti di ricerca che hanno analizzato, in passato, la possibilità di utilizzare il satellite per la stima della radiazione solare sono: l ENEA e l ENEL-CRAM con CONPHOEBUS. Altri lavori utilizzando dati al suolo sono stati condotti dal CNR. In tempi più recenti ENEA, all interno del PROGETTO SOLARE TERMODINAMICO, ha sviluppato sia un metodo statistico, sia fisico. Il metodo statistico corrisponde al metodo Heliosat1. Si basa sul principio per cui la variazione di radiazione al suolo è imputabile principalmente alla presenza di nubi, in quanto le altre variabili che la influenzano possono essere limitate ai soli parametri geografici. Con tale metodologia ENEA ha prodotto delle mappe di radiazione globale giornaliera media mensile su piano orizzontale dal 1994 al Tali mappe sono state utilizzate sia per caratterizzare delle zone climatiche in Italia, sia per la progettazione di nuovi edifici. Un altro metodo sviluppato da ENEA è denominato Solarmet, che utilizza modelli di trasferimento radiativo. Attualmente il sito internet solaritaly dell ENEA, pubblica giornalmente le previsioni di radiazione solare diretta su 5 siti italiani, come medie giornaliere. 2.2 ENVISOLAR ENVISOLAR è un progetto internazionale del dipartimento Earth Observation Market Development (EOMD) dell ESA (Agenzia Spaziale Europea). L obiettivo principale di questo progetto è di supportare lo sviluppo delle osservazioni satellitari in ambito industriale, attraverso l utilizzo dei satelliti Meteosat. Sulla base della stima di diversi parametri geofisici (copertura nuvolosa, altezza delle nubi, aerosol, contenuto di acqua in nube, ecc.) si determina la radiazione incidente sulla superficie terrestre. I servizi offerti variano dagli studi sulla scelta del sito più adatto all impianto che si vuole realizzare, alle consulenze riguardo la capacità produttiva e la previsione di radiazione solare. Il progetto è gestito dal DLR-DFD (Deutsches zentrum fur Luft- und Raumfahrt ) e da altri partners pubblici come: Ecole des Mines de Paris e dall'università di Oldenburg (Germany). Tra i partner industriali ricordiamo Meteocontrol GmbH (Ausburg, Germany), Enocolo AG (Monchaltorf, Svizzera), Edisun Power AG (Zurigo, Svizzera), ENEL Produzione (Montorio al Vomano). Il progetto è inziato il 1 Dicembre 2004 e ha avuto termine nel Maggio del 2007.

12 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 11/82 I Database realizzati dal progetto vanno dal 1995 al 2004 e comprendono valori di irradianza al suolo a risoluzione oraria. I dati sono disponibili a pagamento sul sito di Meteocontrol GmbH (Ausburg, Germany) e di Solarsat, quest'ultimo commercializzato sul territorio italiano da Flyby S.r.l Non sono disponibili prodotti distribuiti gratuitamente e/o ad uso pubblico. 2.3 PVSAT-2 PVSAT-2 è un progetto finanziato dalla Commissione Europea nell ambito della ricerca su energia, ambiente e sviluppo sostenibile. E stato principalmente sviluppato dall Università di Oldenburg (Germany), con il sostegno di partner pubblici e privati come: Meteocontrol GmbH (Ausburg, Germany), Enocolo AG (Monchaltorf, Svizzera), Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Germany), Utrecht University (Nederland). PV-SAT2 è un sistema di monitoraggio e di verifica della producibilità di un impianto fotovoltaico attraverso la misura combinata della radiazione incidente misurata da satellite e della quantità di energia prodotta, in uscita, dall impianto stesso. La producibilità dell impianto è monitorata con continuità e confrontata attraverso opportuni algoritmi alla producibilità stimata attraverso la radiazione misurata da satellite. Il progetto ha avuto inizio nel Novembre nel 2002 ed è terminato nell'ottobre del Il metodo viene utilizzato per la pianificazione degli impianti solari a scopo commerciale dalle ditte Enecolo AG (Svizzera) e Meteocontrol GmbH (Ausburg, Germany) che si avvalgono, in aggiunta, del metodo Envisolar precedentemente descritto. Non sono disponibili prodotti distribuiti gratuitamente e/o ad uso pubblico. 2.4 HELIOSAT-3 HELIOSAT-3 è un progetto finanziato dalla Commissione Europea nell ambito della ricerca su energia, ambiente e sviluppo sostenibile, per sostenere chi opera nel campo dell energia solare, nello sforzo di aumentare efficienza, economicità e accettabilità delle fonti rinnovabili. Il successo dell integrazione dell energia solare nell attuale sistema energetico dipende, infatti, anche dalla conoscenza della risorsa solare. Heliosat 3 fornisce dati di alta qualità sulla radiazione solare sia con l osservazione dalla Terra, sia mediante satelliti Meteosat di seconda generazione. Dati specifici potranno interessare, oltre all industria energetica solare, anche a chi si occupa di problematiche climatiche. La ricerca è stata condotta dai fisici dell'università di Oldenburg in Germania, dall Ecole de mines de Paris. L algoritmo sviluppato nel progetto HELIOSAT-3 è un nuovo schema operativo di irraggiamento che fornisce dati orizzontali sull'irraggiamento globale e diffuso con alta risoluzione spettrale, temporale e spaziale. I partners privati impegnati nel progetto sono: Enecolo AG (Svizzera), Meteocontrol GmbH (Ausburg, Germany). Il progetto Heliosat-3 ha avuto inizio nel Giungo del 2001 ed è terminato nel Maggio del Non sono disponibili prodotti distribuiti gratuitamente e/o ad uso pubblico.

13 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 12/ HELIOCLIM-SODA Helioclim-Soda è un progetto internazionale supportato dall Unione Europea nell ambito dell integrazione e dello sfruttamento delle reti di databases per il monitoraggio ambientale. Il progetto SODA (SOlar radiation Data) è nato per rispondere alla sempre maggiore richiesta di informazioni sulla radiazione solare in ambiti disciplinari molto diversi. SODA è un modello statistico per la fornitura di informazioni sulla radiazione solare. Attraverso l utilizzo di databases di radiazione solare globale, diretta e diffusa, e temperatura superficiale su serie temporali a medio-lungo termine, è possibile pianificare ed ottimizzare la creazione di impianti solari e di sfruttarne la producibilità basandosi su informazioni climatologiche dettagliate per tutta l Europa. Il progetto ha avuto inizio nel Sono disponibili, gratuitamente, per il periodo e 2005, dati di:; radiazione globale su piano orizzontale, globale, diretta e diffusa su piano inclinato irradianza diretta normale ai raggi solari (DNI) Delle suddette grandezze sono disponibili valori mensili, settimanali, giornalieri ed orari. E' disponibile un servizio a pagamento con intervallo temporale di dati più esteso. 2.6 VIEM (Virtual Institute of Energy Meteorology) L istituto virtuale di meteorologia ed energia è gestito dall Università di Oldenburg (Germany) a dal DLR (Deutsches zentrum fur Luft- und Raumfahrt, Germany). L obiettivo primario di questo consorzio è quello di sviluppare e fornire nuovi metodi per lo studio dei parametri atmosferici rilevanti per i sistemi energetici. La ricerca e lo sviluppo riguardano differenti campi della meteorologia, dallo sviluppo di nuovi algoritmi per la corretta classificazione delle nubi da satellite, all adattamento di modelli di previsione numerica per esigenze specifiche nell ambito della produzione di energia, agli studi climatologici su serie temporali a medio lungo termine. I servizi offerti variano dalle analisi dei parametri atmosferici stagionali ed annuali, ai servizi online che permettono il monitoraggio e la gestione dei sistemi energetici near-real-time, alle previsioni di producibilità degli impianti in determinate condizioni atmosferiche. Il progetto ha avuto inizio a Marzo del Non sono disponibili prodotti distribuiti gratuitamente e/o ad uso pubblico.

14 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 13/ Considerazioni A valle del lavoro di indagine presentato sinteticamente sopra, è opportuno inserire alcune considerazioni. Sull argomento della valutazione dell energia solare da satellite si è fatto molto a livello di ricerca per mezzo di diverse iniziative internazionali, non sempre ben coordinate tra di loro. I partecipanti attivi a queste iniziative vedono sempre gli stessi istituti di ricerca e solo di alcuni paesi europei, ovviamente tra quelli maggiormente impegnati nelle energie rinnovabili (Germania, Spagna, Francia). I servizi aperti al pubblico che i progetti europei hanno messo a punto non sempre sono soddisfacenti e gratuiti. Si ha la sensazione che alcuni gruppi di ricerca europei, anziché insistere su progetti che hanno come obiettivo il miglioramento e l aggiornamento delle stime di radiazione solare sull Europa, si stiano orientando su progetti focalizzati su aree extraeuropee di possibile utilizzo per il solare (es: il progetto DESERTEC per lo sfruttamento dell energia solare in nord-africa). Se l industria italiana e gli enti pubblici prevedono di investire molto sul solare, sia sul nostro territorio che all estero, sarebbe opportuna una partecipazione attiva italiana sulle tematiche della valutazione della risorsa primaria, ponendosi oltre agli obiettivi scientifici anche alcuni più pratici legati allo sviluppo di strumenti informativi disponibili a tutti gli operatori del settore. ERSE nell ambito della ricerca di sistema sta cercando di colmare questo vuoto con specifiche attività di ricerca e collaborazione con gli stakeholder coinvolti in questo ambito.

15 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 14/82 3 MONITORAGGIO DA TERRA Tra le attività del 2009 vi è stata anche l attivazione di una stazione per la misura di radiazione solare ed altre variabili meteorologiche presso la sede di Milano di ERSE. Tale stazione risulta importante per verificare le stime prodotte a partire dai dati satellitari e dei modelli meteorologici, inoltre per quanto riguarda la misura della radiazione solare, le stazioni affidabili risultano essere poche in Italia. La stazione si compone attualmente di: un piranometro per la misurazione della radiazione globale (vedi Figura 4); un gruppo termoigrometrico per la misura della temperatura e umidità relativa; un anemometro standard su palo di 10 m. E stato poi acquisito un piranometro standard secondario che viene usato per calibrare quello in campo e un sunshine sensor (misuratore di soleggiamento) che sarà installato nel 2010 (vedi Figura 3). Le misure della stazione meteo sono rese disponibili in tempo reale tramite WEB. Figura 3 - Sunshine meter CSD3 della Kipp & Zonen Figura 4 Piranometro per la misura della radiazione solare globale

16 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 15/82 4 STIMA DELLA RADIAZIONE SOLARE DA SATELLITE 4.1 Introduzione La previsione ed il monitoraggio delle variabili atmosferiche nel settore della produzione energetica da fonti rinnovabili riveste un importante ruolo sotto l aspetto produttivo e gestionale. Le stime di radiazione solare nascono dalla necessità di sopperire al problema della discontinuità nella disponibilità della fonte solare. La regolarità di funzionamento è infatti la caratteristica fondamentale di un impianto che eroga energia e, nel caso di un impianto solare, la disponibilità della fonte dipende non solo da cicli giornalieri e stagionali, ma anche dalle condizioni meteorologiche. Le previsioni meteorologiche hanno lo scopo di fornire un supporto al gestore dell impianto, che può programmare la produzione in funzione delle tariffe elettriche, programmare la manutenzione in giornate con scarsa radiazione prevista, gestire i serbatoi di accumulo per impianti a concentrazione e mettere in sicurezza i componenti dell impianto in caso di condizioni meteo particolarmente avverse. Le stesse risultano di particolare interesse anche per il gestore della rete per valutare in anticipo la quantità di potenza immessa sulla rete AT. L orizzonte temporale di previsione può andare da anticipi giornalieri, per esigenze di programmazione e/o dei transiti sulla rete, ad anticipi fino ad un ora, per la gestione di impianti a concentrazione termodinamici. Nel primo caso è necessario disporre di modelli numerici di previsione, mentre nel secondo caso è possibile sfruttare il monitoraggio satellitare. Queste esigenze sono emerse in particolare grazie alle due collaborazioni instaurate nel corso dell anno con due protagonisti italiani nel campo solare, ENEA ed ENEL, i cui obiettivi fondamentali sono descritti nel paragrafo 6.1. Il paragrafo 4.2 riporta lo studio effettuato per ottenere un indice di copertura nuvolosa da satellite, passo fondamentale per derivare stime di radiazione e la loro verifica. Nel paragrafo 4.3 si descrive l algoritmo sviluppato per la stima della durata del soleggiamento 7, derivato da dati satellitari, con le prime verifiche effettuate. 4.2 Indice di copertura da satellite. La copertura nuvolosa è il principale fattore di attenuazione della radiazione solare incidente. La nuvolosità è caratterizzata da notevole variabilità nello spazio e nel tempo e la sua previsione è un elemento molto critico in ambito modellistico-meteorologico. Inoltre l effetto delle nubi sulla radiazione solare non è sempre lo stesso, sia come attenuazione globale dovuta al diverso spessore ottico e potere riflettente, sia come modifica dello spettro trasmesso. La necessità di verificare la previsione della copertura nuvolosa fatta dai modelli, ha posto il problema di ricavare tale variabile dalle osservazioni da satellite. A tale scopo è stato sviluppato un algoritmo di elaborazione dei dati rilevati dal satellite Meteosat. L algoritmo classifica ogni pixel, ovvero l unità più piccola risolta al suolo, come sereno o coperto. Tale prodotto è l elemento di base di ogni successiva applicazione satellitare. 7 Per soleggiamento s intende una condizione di copertura del cielo tale da lasciare scoperto il disco solare; la durata del soleggiamento è invece il periodo di tempo tra l alba e il tramonto con il disco solare non occultato da nubi.

17 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 16/82 Lo sviluppo di questa tecnica risponde anche a due importanti necessità emerse durante le collaborazioni con ENEA ed ENEL-IIN (paragrafo 6). La prima consiste nella previsione a brevissimo termine dello spostamento delle nubi. La previsione riferita a poche ore in avanti, comunemente denominata nowcasting, è particolarmente interessante per gli impianti a concentrazione, che sfruttano la radiazione diretta, molto variabile al variare della copertura. Tali impianti sono sottoposti a dannosi shock termici per il passaggio improvviso di nubi, che potrebbero esser prevenuti con previsioni molto precise e con brevissimo anticipo (entro l ora). La seconda esigenza è invece il monitoraggio degli impianti per valutarne il rendimento e identificare eventuali malfunzionamenti. La potenza prodotta da un impianto è influenzata, tra le altre cose, dalla radiazione effettivamente presente e può essere messa in relazione con la potenza teorica prevista per lo stesso impianto nelle stesse condizioni di irraggiamento. Tale problematica è già stata affrontata a livello europeo nel progetto PV-SAT 2 (Lorenz, 2007). La misura della radiazione solare viene comunemente effettuata con strumenti al suolo quali pireliometri, piranometri. Questi sistemi di misura, benché molto accurati, hanno una rappresentatività spaziale limitata alla zona in cui sono installati. Necessitano inoltre di una costante manutenzione, nonché di una taratura periodica per far fronte alla deriva strumentale. L installazione ed il mantenimento di reti costituite da tali sistemi di misura risulta pertanto economicamente e tecnicamente oneroso. Derivare una stima di radiazione solare dal dato satellitare è di particolare interesse in quanto la copertura spaziale della misura è più elevata rispetto ai sensori al suolo, permettendo di avere un informazione continua ed omogenea su vaste aree e di monitorare, con lo stesso metodo, impianti sparsi su un vasto territorio. Non necessita inoltre di manutenzione, né calibrazione da parte del venditore/gestore dell impianto. E da sottolineare, però, che il satellite non può fornire direttamente una misura di radiazione solare, se non attraverso l'uso di formule empiriche. Tale grandezza deve essere simulata da un modello che riceve in input le informazioni satellitari. L algoritmo sviluppato è la base per queste due possibili applicazioni Dati utilizzati Dati satellitari L algoritmo si basa sull utilizzo di dati del satellite meteorologico Meteosat Second Generation (MSG) gestito dall agenzia spaziale europea ESA (European Sspace Agency), per conto di EUMETSAT, ente europeo per la gestione dei satelliti meteorologici, divenuto operativo il 28 Agosto Il satellite MSG, posto a circa Km di quota, ha un orbita sul piano equatoriale in corrispondenza del punto a coordinate 0 di latitudine e 0 di longitudine sulla Terra. Osserva l intero disco terrestre con un radiometro multispettrale (12 canali diversi) chiamato SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager). I 12 canali a disposizione sono: 3 nello spettro solare, 3.5 x 3.5 km di risoluzione al nadir (equatore, meridiano di Greenwich) 8 nell infrarosso, 3.5 x 3.5 km di risoluzione al nadir 1 nel visibile ad alta risoluzione, 1.5 x 1.5 km di risoluzione al nadir Ciascun canale è sensibile a differenti caratteristiche dei corpi condensati più vicini al satellite, nubi in caso di cielo coperto o terra e mare in caso di cielo sereno. Una descrizione dettagliata delle caratteristiche di ciascun canale e delle sue applicazioni è riportata nel Rapporto CESI n A del 2004.

18 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 17/82 Il satellite, essendo geostazionario, ha lo stesso periodo di rotazione della terra e osserva, pertanto, sempre la stessa area. Questo permette osservazioni frequenti (ogni 15 minuti) che consentono di seguire la dinamica dei processi atmosferici. L elevata quota determina una risoluzione spaziale di circa 3.5 Km per 3.5 Km, con un canale ad alta risoluzione nello spettro visibile, sensibile alla radiazione solare riflessa nel range 0.4 µm - 1.1µm, con risoluzione spaziale di circa 1.5 Km per 1.5 Km. Tali caratteristiche sono molto favorevoli allo studio di fenomeni ad elevata estensione spaziale e frequenza temporale, come l evoluzione dei corpi nuvolosi, principali responsabili dell attenuazione della radiazione solare. Presso la sede ERSE di Milano è presente, da Marzo 2004, una stazione di ricezione fornita da Tecnavia Sa. Le immagini MSG vengono ricevute in digitale attraverso un antenna parabolica e processate da un PC dotato di una scheda analoga a quelle per la ricezione delle trasmissioni televisive. Dall immagine originale del globo (3712 x 3712 pixel), per ciascuno dei dodici canali, (8 canali di infrarosso termico + 3 canali di visibile + 1 canale visibile ad alta risoluzione) ricevuti, viene effettuato il taglio sull area europea richiesta (1000 x 750 pixels). Il valore di ogni pixel è poi convertito da 10 a 16 bit. Le immagini con risoluzione di 3.5 Km x 3.5 Km hanno dimensione di 1.5 MB ciascuna, mentre l immagine in HRV (High Resolution Visible) sull Italia ha dimensione di 4 MB. L occupazione giornaliera di tutte le immagini in forma compressa è di circa 700 MB. Dalla stazione di ricezione le immagini vengono trasferite ad una workstation linux in una opportuna area e rimangono in linea per 20 giorni; vengono inoltre archiviate automaticamente su un supporto esterno. Ulteriori dettagli circa la catena operativa di gestione delle immagini del MSG sono descritti nel Rapporto CESI A del Dei 12 canali disponibili, per l algoritmo sono stati utilizzati un canale nella lunghezza d onda del visibile, centrato attorno a 0.8 m (VIS0.8), ed un canale infarossso centrato attorno a 10.8 m (IR 10.8). Il VIS0.8 è sensibile alla riflessione della luce solare da parte dei corpi condensati. Per ciò che riguarda le nubi, il segnale è tanto più intenso quanto più spessa è la nube, con un massimo di risposta per le nubi temporalesche ed i cumulonembi molto densi e con elevato sviluppo verticale. Tale canale è disponibile solo nelle ore diurne. L IR10.8 invece è centrato in una regione dello spettro in cui l atmosfera risulta trasparente, non vi è cioè grande assorbimento da parte dei componenti atmosferici (vapor d acqua, anidride carbonica, ecc) e risulta quindi sensibile all emissione di energia elettromagnetica da parte dei corpi condensati o della superficie terrestre. Poiché l energia elettromagnetica emessa dai corpi dipende dalla loro temperatura, utilizzando questo canale è possibile rilevare la temperatura di brillanza del corpo, rappresentativa della temperatura superficiale dello stesso. Le nubi più alte, quindi più fredde, saranno caratterizzate da una bassa emissione, mentre quelle più basse, più calde, sono dotate di un maggiore potere emissivo. Un esempio di immagine nel canale IR 10.8 è riportato in Figura 5. Un esempio dell immagine nel canale VIS 0.8 è invece riportato in Figura 6.

19 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 18/82 Figura 5 - Esempio di immagine MSG nel canale IR 10.8 m.

20 Rapporto ASV Ambiente e Sviluppo Sostenibile Pag. 19/82 Figura 6 - Esempio di immagine MSG nel canale VIS 0.8 m Descrizione dell algoritmo Al fine di sviluppare un algoritmo per la stima della radiazione solare da dati satellitari, nel 2008, all interno del progetto di Ricerca di Sistema: Sviluppo e sperimentazione di sistemi di gestione di microreti, è stata avviata una ricerca bibliografica con particolare riferimento ai gruppi di ricerca europei più attivi (Cano, Fontoynont, Hammer, Schroedter-Homscheidt, Lorenz, Gschwind, Spinelli, 2007). Tutti gli algoritmi di stima della radiazione da satellite hanno come obiettivo la determinazione della copertura nuvolosa, essendo il principale fattore di attenuazione della radiazione incidente. Sulla base della ricerca bibliografica e di un precedente lavoro sviluppato nel progetto di RdS del 2006 Trasmissione e Distribuzione, Sottoprogetto 1: Tecnologie per le linee di trasmissione Work Package 1.1: Determinazione dei limiti di portata in corrente delle linee aeree, Deliverable 3: Previsione a medio termine della capacità di trasporto su base statistica e della robustezza delle linee (Holmlund, 2004), (Bonelli, 2004), (Gilli, 2005), (Eumetsat, 2005), è stato sviluppato e testato un algoritmo di cloud detection. Il metodo si basa sulla diversa risposta dei corpi condensati, nel campo di vista del satellite, utilizzando le informazioni fornite dai diversi canali, in presenza di cielo sereno o coperto. In particolare si individuano tipici valori di riflettanza nel canale VIS 0.8 e di temperatura di brillanza nel canale IR 10.8,