Monitoraggio della gestione di impianti a fonti rinnovabili

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1 SPECIALE TECNICO Monitoraggio della gestione di impianti a fonti rinnovabili A cura dell Ing. Emiliano Guerrieri Protos SpA

2 SPONSOR LE SCHEDE TECNICHE DELLE AZIENDE SPONSOR SONO PUBBLICATE SUL SITO INTERNET

3 MONITORAGGIO DELLA GESTIONE DI IMPIANTI A FONTI RINNOVABILI INDICE 1. Generalità sulle metodologie di monitoraggio tecnico pag Il Monitoraggio Tecnico del Fotovoltaico pag. 5 Parametri e grandezze oggetto del monitoraggio Architettura del sistema di monitoraggio I sensori Caratteristiche dei software di controllo ed elaborazione dei dati 1.2. Il Monitoraggio Tecnico degli impianti alimentati a Biogas pag. 14 Parametri e grandezze oggetto del monitoraggio Architettura del sistema di monitoraggio I sensori 1.3. Il Monitoraggio Tecnico degli impianti Eolici pag. 16 Parametri e grandezze oggetto del monitoraggio Architettura del sistema di monitoraggio I sensori (la torre anemometrica) Caratteristiche dei software di controllo ed elaborazione dei dati 2 2. Monitoraggio della Gestione Operativa pag. 21 Chi svolge questa attività Come definire il periodo di osservazione Quali verifiche e analisi vengono effettuate Quali i vantaggi di un servizio strutturato di monitoraggio della gestione 3. Conclusioni pag. 23

4 Speciale a cura di: Ing. Emiliano Guerrieri, Senior Technical Specialist/Photovoltaic Market di Protos SpA Ha lavorato per più di 7 anni nel settore energetico, in particolare concentrandosi sulla consulenza tecnica degli impianti di produzione di energia da fotovoltaico e progetti di Efficienza Energetica. In Protos riveste un ruolo come Senior Technical Specialist - per il mercato fotovoltaico - ed è responsabile del Technical Advisory alle Banche / Sponsor in Project Financing / leasing progetti strutturati e programmi di investimento relativi a impianti che producono energia rinnovabile. Recentemente si è interessato nel monitoraggio della gestione di impianti fotovoltaici per conto di investitori e banche. 3 Questo Speciale Tecnico di QualEnergia.it è stato curato da Protos SpA. Attraverso la propria Business Unit Energy&Power, Protos fornisce, principalmente agli Istituti Finanziari e agli Investitori, il supporto necessario per la valutazione dei rischi tecnici connessi alle fasi di Sviluppo, Finanziamento, Costruzione, Avviamento, Gestione e Dismissione di Impianti per la produzione/conversione di energia, attraverso la dettagliata analisi degli aspetti progettuali, tecnologici, autorizzativi, contrattuali, assicurativi, amministrativi ed economico-finanziari, in relazione alle best-practice ingegneristiche specifiche del mercato in cui le iniziative da analizzare si collocano. Il monitoraggio della fase di gestione, dunque, rientra tra le attività consolidate che Protos fornisce ai propri clienti, monitorando ad oggi un portafoglio di progetti composto da circa 300 impianti (fotovoltaici, eolici e biomassa/biogas) per un installato totale pari a circa 1,1 GW.

5 1. GENERALITÀ SULLE METODOLOGIE DI MONITORAGGIO TECNICO L esercizio degli impianti di produzione di energia elettrica alimentati da fonti rinnovabili (IAFR) prevede attività di manutenzione e di gestione più o meno complesse, le quali permettono di garantire il funzionamento dei macchinari e di ottimizzarne le performances. Una corretta gestione degli impianti IAFR non può quindi prescindere dall accurata supervisione continua e dal controllo (anche da remoto) dei loro parametri di funzionamento. La scelta del set di parametri da monitorare viene definita in base al dettaglio delle analisi necessarie per il completo controllo della capacità produttiva degli impianti e della loro conformità alle eventuali prescrizioni amministrative/autorizzative, vincoli a limiti di emissioni (sostanze inquinanti, campi elettromagnetici, particolati, ecc.). L eterogeneità delle fonti utilizzate per alimentare gli impianti di produzione di energia (Sole, Vento, Biomasse, ecc.) e delle tecnologie coinvolte, fa sì che i sistemi di monitoraggio utilizzati negli impianti IAFR presentino diverse architetture, specificatamente ideate per mantenere sotto controllo tutti parametri di funzionamento caratteristici della fonte rinnovabile utilizzata. L architettura del sistema, in termini di numero e tipo di sensori, attuatori e segnali di uscita, è quindi individuata a partire dalla tipologia di impianto soggetto a monitoraggio. Anche con queste necessarie differenze, il confronto tra le diverse esperienze fa emergere alcune caratteristiche comuni tra le varie scelte tecniche operate dai produttori e installatori dei vari sistemi di monitoraggio presenti sul mercato. Tutti i sistemi di monitoraggio e acquisizione dati sono infatti assimilabili a tecnologie Programmable Logic Controller (PLC) e Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA), tecnologie ormai consolidate nelle applicazioni di controllo automatico in ambito industriale. Come meglio descritto più avanti, l utilizzo dei PLC permette di applicare una logica di controllo e di attuazione di comandi automatici che, opportunamente programmati, consentono il funzionamento automatico o semi-automatico degli impianti IAFR. Le caratteristiche distintive tra i sistemi di monitoraggio sono quindi concentrate nelle tecnologie e nel numero dei dispositivi di rilevazione delle grandezze misurate (sonde), nelle caratteristiche di archiviazione e presentazione dei dati e nei software di analisi e controllo di cui sono dotati. Attualmente, esistono diversi prodotti sul mercato proposti da produttori specializzati o dai produttori degli altri apparati elettronici/elettrici utilizzati negli impianti di produzione. Ad esempio, nel settore del fotovoltaico, i produttori dei gruppi di conversione (inverter) propongono sistemi di monitoraggio integrati con la logica di controllo degli inverter, i quali sono progettati per leggere le grandezze di esercizio del sistema e quelle provenienti da stazioni meteo appositamente studiate. 4

6 Anche negli impianti a biomassa vengono impiegati sistemi di monitoraggio integrati, in quanto questi devono adattarsi alle specificità dell impianto e sono quindi normalmente progettati dallo stesso produttore del generatore. Esistono inoltre produttori specializzati che commercializzano soluzioni integrate (hardware + software) appositamente personalizzate secondo le necessità del cliente e della specifica architettura dell impianto. In sintesi, si può affermare che, pur riconoscendo una significativa base comune di tecnologie e di architetture HW e SW tra i sistemi offerti nel settore del monitoraggio degli impianti di produzione IAFR, la scelta del sistema di monitoraggio per un impianto deve comunque essere operata in base alle necessità specifiche del progetto, non ultimo il rapporto costi-benefici. Nel presente documento, che non ha l obiettivo di eseguire una trattazione di dettaglio, sono descritte le caratteristiche tipiche dei sistemi di monitoraggio che trovano maggiore diffusione negli impianti di produzione fotovoltaici, eolici e a biogas Il Monitoraggio Tecnico del Fotovoltaico Parametri e grandezze oggetto di monitoraggio Il Performance Ratio (PR) Il principale indice di performance per gli impianti fotovoltaici è il Performance Ratio (PR), definito dalla Norma CEI come il rapporto tra l energia prodotta dall impianto e l energia producibile dall impianto nel periodo analizzato. Tale indicatore prestazionale esprime la capacità di trasformare l energia solare in energia elettrica ed è funzione delle perdite di sistema (mismatch, riflessione, ombreggiamento, sporcamento della superficie dei moduli, decadimento delle prestazioni dei moduli, effetti della temperatura, perdite per effetto joule, rendimento inverter). La figura seguente schematizza il processo di produzione di energia elettrica per via fotovoltaica, evidenziando le varie cause di perdita di energia caratteristiche del processo di conversione.

7 Contatore GSE Contatore Immissione in rete 6 Riflessione Ombreggiamento Sporcamento Scostamento dalla STC Mismatching Perdite per effetto joule su cavi e quadri elettrici Rendimento di conversione statica Rendimento di trasformazione Perdite per trasporto energia elettrica Consumi servizi ausiliari La complessità oggettiva di rilevare e quantificare gli effetti di determinate perdite di sistema (ad esempio: mismatch, ombreggiamenti, sporcizia sulla superficie dei moduli), fa sì che il PR venga rilevato come confronto tra l energia teoricamente producibile (funzione dell irraggiamento e della temperatura) e quella effettivamente prodotta nel medesimo periodo di osservazione. Il calcolo del PR viene quindi effettuato, ai sensi della Norma CEI 82-25, mediante la seguente formula: Dove: E ca è l energia prodotta dal lato corrente alternata (Wh) P n è la potenza nominale del generatore FV (W) H i è l irraggiamento rilevato sul piano dei moduli (Wh/m 2 ) G stc è l irraggiamento in condizioni standard, quantificato in W/m 2 La stessa Norma CEI prevede la possibilità di correggere gli effetti della temperatura sulle performance, quando le celle FV raggiungono la temperatura superficiale di 40 C, applicando la seguente correzione alla potenza di picco: ( ) Dove: T cel è la temperatura misurata sulla superficie della cella FV ( C); è il coefficiente di perdita in temperatura caratteristica del modulo FV utilizzato (%/ C).

8 Disponibilità Tecnica La Disponibilità Tecnica, definita come il rapporto tra la potenza indisponibile pesata con l irraggiamento occorso nel periodo nel quale è avvenuta l indisponibilità e la potenza nominale dell impianto, è un altro indice prestazionale comunemente utilizzato per valutare la produzione raggiunta dall impianto in uno specifico periodo di esercizio. La Disponibilità Tecnica rappresenta la percentuale di potenza installata effettivamente in esercizio in un dato periodo ed è comunemente utilizzata, assieme al PR, per valutare la capacità produttiva raggiunta dall impianto fotovoltaico durante l anno di esercizio. Le comuni pratiche di mercato considerano il Performance Ratio e la Disponibilità Tecnica come parametri di riferimento utilizzati nella contrattualistica (Costruzione e Manutenzione) per definire i livelli di producibilità raggiungibili dall impianto e garantiti durante il suo ciclo di vita. La riuscita economica dei progetti è strettamente connessa al raggiungimento della produzione attesa, che rappresenta il principale indicatore di successo del progetto e, come tale, è normalmente soggetto ad un sistema di garanzie e penali economiche a carico dell appaltatore e/o del gestore. La comune pratica di mercato, prevede che la costruzione degli impianti FV sia soggetta a garanzia contrattuali relative alle performance minime garantite, il cui mancato raggiungimento comporta normalmente il pagamento di penali compensative a carico dell Appaltatore (EPC) a risarcimento dei danni economici derivanti dalla mancata performance. Il mancato raggiungimento della disponibilità tecnica, al quale corrisponde immancabilmente un riduzione dell energia prodotta, viene normalmente risarcito dall Operatore (O&M), il quale è responsabile dell operatività dell impianto. Nel caso di impianti FV di dimensioni tali da essere richiesta una garanzia di performance minima annua è quindi indispensabile disporre di un sistema di supervisione in grado di monitorare almeno il set minimo di parametri necessario al calcolo degli indici prestazionali oggetto di eventuale garanzia/penale/ecc. Disporre di un monitoraggio accurato è comunque auspicabile, in quanto resta questo il principale strumento di controllo, attraverso il quale Committenza e Appaltatore/Gestore possono verificare il raggiungimento delle prestazioni attese per il progetto. 7 Architettura del sistema di monitoraggio I sistemi di monitoraggio attualmente in commercio sono in grado di rilevare e registrare le grandezze meteo ed elettriche nei diversi punti della catena di produzione e conversione/trasformazione dell energia, permettendo così di mantenere sotto controllo il funzionamento dell impianto e di rilevare rapidamente eventuali anomalie/malfunzionamenti che possano influire sulla produzione e sulla sicurezza dell impianto stesso.

9 Le soluzioni attualmente disponibili sul mercato possono essere distinte tra sistemi integrati con il gruppo di conversione e sistemi realizzati ad hoc. I sistemi integrati con il gruppo di conversione e con le string-box dimostrano normalmente una maggiore stabilità di funzionamento, grazie alla compatibilità tra i vari dispositivi e i software; tuttavia, spesso tali sistemi risultano scarsamente flessibili e personalizzabili e per tale motivo non si adattano alle peculiarità strutturali dei grandi impianti fotovoltaici. String Box Sezionatore CC Grandezze corrente continua (V,I) 8 Dati funzionamento Inverter Grandezze corrente alternata (V,I,P,FP) Sezionatore AC Grandezze meteo (Irr, Tamb,Tmod) Sistema di monitoraggio Utenze Ausiliarie Network Lo schema riportato nella figura mostra l architettura-tipo di un sistema di monitoraggio per impianti FV, evidenziando il tipo e i punti di prelievo delle grandezze misurate dal sistema. Il set di grandezze elettriche e meteo che occorre rilevare per una corretta supervisione dell impianto è quindi così definito:

10 Grandezza Irraggiamento sul piano dei Moduli (W/m 2 ) Temperatura di Cella ( C) Temperatura Ambiente ( C) di stringa Grandezze elettriche (V, I, P) ingresso inverter uscita inverter prodotta uscita inverter Energia elettrica (Wh) immessa in rete autoconsumi string box Segnali di errore Inverter quadri elettrici Monitoraggio Necessario Opzionale X X X X X X X X X X X X 9 I sistemi di supervisione più avanzati dispongono inoltre di sensoristica, all interno delle string box, attraverso la quale è possibile rilevare malfunzionamenti a livello di stringa e stimare la potenza nominale indisponibile durante il periodo analizzato. Questo livello di dettaglio è particolarmente utile quando si intende valutare la Disponibilità Tecnica con precisione, ad esempio nel caso in cui tale parametro sia oggetto di specifiche garanzie contrattuali nella fase di gestione operativa dell'impianto FV. Il dispositivo SCADA utilizzato per il monitoraggio di impianti fotovoltaici viene dimensionato sulla base del numero e del tipo di sensori che dovrà gestire, strettamente dipendente dalla complessità e dall estensione dell impianto FV che si intende monitorare. Lo SCADA acquisirà e memorizzerà i dati rilevati dai sensori disseminati nell impianto, producendo eventuali messaggi di errore in caso di rilevato malfunzionamento, allertando l Operatore che potrà così intervenire tempestivamente limitando i periodi di fermo impianto. La cadenza di acquisizione dei dati viene comunemente fissata in 5 minuti o 15 minuti, in quanto tale intervallo temporale viene comunemente ritenuto sufficiente ai fini della verifica delle performance d impianto. La scelta di intervalli di campionamento così ampi nasce dalla necessità di limitare la quantità di dati che devono essere memorizzati e trasmessi dal sistema di acquisizione, permettendo un dimensionamento dei dispositivi di immagazzinamento dati e delle linee di trasmissione con sufficiente semplicità.

11 I sensori Il monitoraggio del corretto funzionamento e delle performance degli impianti FV necessita della misura delle grandezze meteorologiche nel sito dell impianto (irraggiamento solare, temperatura e velocità/direzione del vento). I sensori d irraggiamento Lo scopo della misura dell irraggiamento è quello di confrontare la risorsa solare disponibile con l output dell impianto, al fine di verificarne la capacità di convertire l energia solare in elettricità e quindi valutarne le performance. L irraggiamento viene normalmente misurato mediante l utilizzo di piranometri, anche se in alcuni casi viene proposto l utilizzo di celle di riferimento che, come meglio descritto in seguito, risultano però adatte al monitoraggio diagnostico dell impianto ma meno adatte per la valutazione delle performance. Il piranometro - La misura dell irraggiamento mediante l utilizzo dei piranometri viene normato dalla Norma IEC e viene normalmente considerata uno standard nelle analisi delle performance di impianti fotovoltaici sottoposti a valutazione finalizzata al finanziamento del progetto. I piranometri sono dei sensori che misurano l irraggiamento come differenza di temperatura tra superfici irraggiate utilizzando il principio delle termopile, e vengono classificati in base alla precisione della misura secondo le seguenti categorie definite dalla norma ISO9060: 10 Classe di precisione secondo norma ISO 9060 Secondary standard pyranometer First class pyranometer Second class pyranometer La classe di precisione normalmente richiesta per valutare correttamente le performance dell impianto è la secondary standard, in modo che la misura (e quindi la valutazione del PR) sia affetta da un errore contenuto entro il 3%.

12 La cella di riferimento - Le celle di riferimento sono dei sensori che utilizzano la stessa tecnologia fotovoltaica dei moduli e vengono comunemente utilizzate dai sistemi di monitoraggio integrati con i sistemi di controllo dei gruppi di conversione. Questo tipo di sensori presenta una sensibilità allo spettro della luce solare comparabile al rendimento di conversione tipico delle celle fotovoltaiche, pertanto, non riescono a rilevare l intera risorsa solare disponibile in sito (vedi foto a sinistra - Fonte: SMA Solar Technology AG). 11 Confronto tra i sensori - Il sensore di irraggiamento deve essere scelto in base al tipo di monitoraggio che si intende effettuare. La corretta misura dell irraggiamento, al fine della valutazione delle performance d impianto, non può difatti prescindere dalla capacità del sensore di misurare tutta l energia solare disponibile; tuttavia, quando il monitoraggio viene effettuato principalmente per scopi diagnostici, un sensore maggiormente prestante dal punto di vista della velocità di risposta può essere preferibile ad un dispositivo più sensibile ma affetto da maggior inerzia. Nella tabella seguente vengono messe a confronto le due principali famiglie di sensori di irraggiamento solare, mettendo in evidenza le principali caratteristiche di entrambe: Cella di Riferimento Piranometro Confronto Scopo misura della quota di irraggiamento convertibile in energia elettrica misura dell'intera risorsa solare Errori di misura errore >5% per inclinazione superiore a 50 errore <5% fino a 80 la cella di riferimento sottostima la risorsa solare disponibile Irraggiamento globale su piano orizzontale non misurabile misurabile il piranometro può misurare irraggiamento su piano orizzontale ed inclinato Mismatch spettrale alta variabilità, incertezza >5% bassa variabilità, incertezza entro 1% Comparazione delle misure le misure della cella di riferimento possono essere comparate solo con misure acquisite da celle con tecnologie simili le misure acquisite dal piranometro sono sempre comparabili l'utilizzo dei piranometri garantisce la comparabilità delle misure acquisite su diversi siti

13 12 Altri Sensori - La temperatura ambiente e della superficie dei moduli viene misurata attraverso sensori di tipo termo resistenze (PT100) o assimilabili, la cui tecnologia è ormai consolidata da diversi anni e comunemente utilizzata in ambito industriale. I sensori di temperatura utilizzati in ambito fotovoltaico rispondono tipicamente agli standard di qualità e di affidabilità tipici del monitoraggio dei processi industriali e dispongono di caratteristiche simili. La velocità e la direzione del vento, pur non essendo parametri che influiscono direttamente sulla performance degli impianti FV (se non per gli effetti di trasporto delle masse d aria sulla superficie dei moduli che migliora la dissipazione della temperatura) vengono monitorati sugli impianti FV dotati di inseguitori solari (tracker), così da rilevare eventuali situazioni di pericolo per l impianto e attivare le procedure per la messa in sicurezza. Per questo tipo di rilevazioni vengono tipicamente utilizzati anemometri meccanici installati direttamente in campo. Caratteristiche dei software di controllo ed elaborazione dei dati Il software di acquisizione e gestione dei dati rilevati dal sistema di monitoraggio è lo strumento chiave che permette di valutare e verificare il funzionamento dell impianto. I produttori di sistemi di monitoraggio, sia di tipo integrato che custom, forniscono normalmente il software (proprietario) con il quale analizzare i dati di esercizio dell impianto FV e che, grazie alle funzionalità di connessione remota di cui sono dotati i sistemi di ultima generazione (GSM/UMTS/LTE, ADSL, ecc.) permette di interrogare il dispositivo SCADA da remoto. Molti produttori di sistemi di monitoraggio propongono sul mercato un servizio di hosting dei vari dispositivi di monitoraggio, tramite il quale i dati provenienti dai dispositivi installati in campo vengono gestiti da una centrale di controllo unica (gestita

14 dal Produttore e Fornitore del servizio di monitoraggio) e possono essere interrogati in tempo reale tramite il software di monitoraggio fornito dal Produttore. Attualmente la stragrande maggioranza dei software in commercio dispone di interfaccia grafica tramite la quale interrogare il dispositivo di acquisizione e visualizzare i dati di esercizio sia in forma numerica che in forma grafica. Il set di dati di esercizio (dati meteo, parametri elettrici d impianto e segnali d errore/allarmi) vengono visualizzati in tempo reale permettendo al manutentore di intervenire in maniera mirata sui guasti e di ridurre i tempi di intervento, migliorando così la disponibilità tecnica e l efficienza dell impianto. Prima di essere utilizzati per l analisi delle prestazioni, i dati rilevati e registrati dal sistema di monitoraggio vengono di solito normalizzati tramite l applicazione di appositi algoritmi per correggere gli errori della catena di rilevazione ed eliminare i dati spuri, ottenuti da letture dei sensori non congruenti con i valori reali della grandezza misurata. Il filtraggio viene soprattutto applicato alle serie di dati relative alle grandezze meteo (irraggiamento e temperatura), le quali sono maggiormente soggette agli effetti del rumore di segnale e alle false letture dei sensori. Qualora il sistema di monitoraggio sia equipaggiato con più di un sensore per ogni grandezza misurata (per esempio diversi sensori di irraggiamento installati sul campo), la riduzione dell errore di misura può essere ottenuto mediante l esclusione delle misure dei sensori con deviazione standard più alta e la successiva applicazione di algoritmi di media alle misure rimanenti. Molti dei software di ultima generazione permettono inoltre di produrre in automatico la reportistica relativa ai dati di esercizio, al calcolo degli indicatori di performance e alla lista dei messaggi di errore prodotti dal sistema. Occorre notare che tali funzioni di reportistica, se pur di indiscussa utilità, possono a volte produrre degli output non completamente in linea con le analisi che si intende effettuare. È infatti comune il caso in cui gli indicatori prestazionali (PR, Disponibilità Tecnica, perdite di trasmissione) vengano contabilizzate dal software di monitoraggio non conformemente a quanto previsto dai protocolli di collaudo previsti dai contratti (EPC e O&M). La possibilità di accedere ai dati direttamente misurati dal sistema di monitoraggio, a monte dell elaborazione software dei risultati, è quindi una caratteristica preferenziale per il sistemi di monitoraggio utilizzati in impianti FV di medie e grandi dimensioni che necessitino di analisi di performance mirate. 13

15 1.2 Il Monitoraggio Tecnico di impianti alimentati a Biogas Parametri e grandezze oggetto di monitoraggio Il monitoraggio di un impianto di produzione di energia alimentato a biomassa e in particolare a biogas, prevede la misura di diverse grandezze del processo di produzione e utilizzo del biogas, che vediamo schematizzato della figura seguente. 14 Fonte: Grober group Le grandezze e i parametri che devono essere monitorati affinché il processo di produzione risulti adeguatamente sotto controllo sono: Parametri di esercizio del sistema di alimentazione; Temperatura dei fermentatori (o digestori) Parametro di composizione del biogas prodotto (55-60% di metano nel biogas) Quantità di biogas introdotta nel motore (tramite flussimetro) ph del processo di digestione anaerobica Parametri di funzionamento delle saracinesche e delle pompe Parametri di funzionamento del gruppo motore-generatore (tensione, corrente e potenza in uscita, ore di esercizio, emissioni) Autoconsumi globali d impianto Mediante la lettura dei suddetti parametri, il sistema di controllo (PLC) gestisce l alimentazione del digestore, ottimizzando la produzione di biogas (quantità di biogas e quota di metano all interno del biogas) e mantenendo le performance d impianto all interno dei livelli previsti.

16 Il parametro di riferimento comunemente utilizzato nelle garanzie di performance a carico dell Operatore di impianti a biogas è la produzione annua o, in alternativa, le ore di funzionamento. Il non raggiungimento del valore minimo garantito prevede normalmente il pagamento di una penale compensativa da parte dell Operatore a favore della committenza, a risarcimento dei danni economici derivanti dalla mancata produzione. Architettura del sistema di monitoraggio L architettura tipica della tecnologia di comando e gestione dell impianto prevede l uso un PLC e di un PC che permettano la gestione da parte dell operatore, la visualizzazione dei dati e l impostazione dei parametri. La separazione tra le unità di comando e di visualizzazione incrementa la sicurezza di gestione dell impianto, permettendo all impianto di funzionare automaticamente anche in caso di un guasto del PC. Il PLC acquisisce in tempo reale le misure provenienti dai diversi sensori disseminati sull impianto e reagisce secondo le logiche di controllo impostate dal costruttore dell impianto. L architettura del sistema di controllo degli impianti a biogas è normalmente funzionale alle logiche di controllo definite dal costruttore dell impianto, definite da quest ultimo sulla base del proprio know-how e delle specificità della matrice di alimentazione dell impianto. Il software di controllo residente nel PLC difatti, oltre ai parametri di funzionamento del motore, gestisce la matrice di alimentazione del digestore, utilizzando le ricette predefinite dal costruttore e adatte ad ottimizzare la produzione del biogas sulla base dei parametri di esercizio rilevati sull impianto durante l esercizio. 15 I sensori I sensori utilizzati per la misura delle grandezze elettriche e del monitoraggio ed azionamento dei dispositivi elettromeccanici presenti in un impianto alimentato a biogas rientrano tra le tecnologie normalmente utilizzate negli azionamenti industriali. Il monitoraggio del processo di digestione prevede, invece, l utilizzo di diverse sonde per l acquisizione dei dati relativi a temperatura di processo, ph, potenziale Redox, ecc. Misura delle temperature Affinché il processo di digestione anaerobica mantenga la corretta efficienza, la temperatura di processo deve essere manutenuta costante con variazioni contenute entro ± 1 C; pertanto, le sonde di temperatura dovranno disporre di un livello di precisione adeguato.

17 Misura del ph e del Redox La misura del ph e dell indice di ossidoriduzione del processo anaerobico avviene mediante apposite sonde inserite nel digestore, tipicamente realizzate mediante elettrodi di tipo a membrana o di tipo digitale differenziale. Nel caso di utilizzo di elettrodi digitali, la misura sul fluido di digestione avviene mediante un ponte salino che evita il contatto diretto fluido-sensore, permettendo la misura anche nei fluidi a particolato rilevante ed evitando il rischio di inquinamento dovuto al contatto dell elettrodo con il fluido. Analisi cromatografica L analisi del potere calorifico e della densità del Biogas è particolarmente importante per gli impianti di produzione di energia elettrica di grandi dimensioni. Il monitoraggio delle concentrazioni di acidi organici all interno del biogas viene effettuata utilizzando la cromatografia ionica (IC), mediante l utilizzo di gascromatografi, che analizzano direttamente il biogas in uscita dal processo, prima che questo arrivi al circuito di alimentazione del motore. 16 Caratteristiche dei software di controllo ed elaborazione dei dati La necessità garantire il massimo controllo sul processo di produzione di biogas, e quindi di energia elettrica, rende indispensabile la completa integrazione tra il sistema di monitoraggio e l impianto a biogas. Per tale motivo, il software di controllo e gestione dell impianto è normalmente fornito dalla casa produttrice del sistema di monitoraggio, la quale tipicamente è la stessa del gruppo di produzione utilizzato nell impianto, eliminando in questo modo i rischi di incompatibilità tra software, sistema di monitoraggio ed attuatori. I software di gestione degli impianti a biogas dispongono di interfacce grafiche che permettono il completo controllo del processo, visualizzando i parametri di funzionamento e i segnali di allarme per malfunzionamento, grazie ai quali l Operatore è in grado di intervenire tempestivamente in caso di guasto. 1.3 Il Monitoraggio Tecnico degli impianti Eolici Parametri e grandezze oggetto di monitoraggio La produzione di un generatore eolico è strettamente dipendente, oltre che dalla effettiva risorsa eolica, dalle performance e dalla affidabilità della macchina. La capacità di performare caratteristica di ogni aerogeneratore viene espressa sostanzialmente dalla Power Curve e a riguardo i contratto di fornitura normano normalmente le modalità di verifica, i make good e le eventuali penali oltre alle relative garanzie.

18 L affidabilità della macchina viene invece quantificata attraverso il parametro Disponibilità, il quale viene normato e garantito attraverso i contratti di Gestione e Manutenzione (O&M). Per questo motivo, oltre alle misure della fonte eolica (vento), la supervisione di generatori eolici di grandi dimensioni richiede la rilevazione di diversi parametri elettrici e meccanici, la cui analisi permette di rappresentare lo stato di funzionamento e conservazione della macchina e prevenire interruzioni di produzione. La quantità di grandezze e il posizionamento di sensori per la rilevazione vengono di fatto decisi dai produttori degli aerogeneratori, che forniscono le torri eoliche già equipaggiate del sistema di supervisione e degli strumenti e sensori necessari (temperatura, pressione vibrazioni, proprietà olio, ecc.). Il monitoraggio di tali parametri permette, infatti, la verifica del raggiungimento delle performance attese e il controllo dell integrità strutturale dell intero sistema. L immagine seguente rappresenta i principali componenti di un aerogeneratore sottoposti a supervisione. 17 Anemometro Giunto Mozzo Riduttore Pitch system Transformatore BT/MT Generatore Sistema di orientamento Page 2 Fonte: Vestas Wind Systems I parametri di natura elettrica I parametri elettrici normalmente monitorati nell ambito dell esercizio degli aerogeneratori sono la tensione, la corrente, la frequenza e il fattore di potenza in uscita dall aerogeneratore e nel punto di connessione della rete elettrica. Il monitoraggio verifica anche lo stato dei dispositivi di protezione, evidenziando eventuali malfunzionamenti. La misura delle suddette grandezze elettriche permette di definire l entità delle perdite elettriche tra i punti di produzione e il punto di consegna alla rete nazionale. Tale parametro è a sua volta oggetto di garanzia da parte del Gestore del parco.

19 I parametri meccanici e ambientali Gli aerogeneratori sono tipicamente dotati di anemometri, installati sulla navicella, ai fini anche del controllo attivo della macchina (pitch, imbardata, ecc.) e della sua salvaguardia. Tali anemometri in prima approssimazione possono dare indicazioni sulle performance delle macchine anche se a tal fine, nei parchi di dimensioni significative sono spesso presenti una o più torri anemometriche indipendenti, necessarie per una misura non perturbata della risorsa eolica. Gli aerogeneratori sono sottoposti inoltre al monitoraggio continuo delle accelerazioni, delle vibrazioni e delle sollecitazioni meccaniche che vengono imposte ai diversi componenti dell aerogeneratore e della torre eolica, al fine di verificarne lo stato di funzionamento e predisporre eventuali fermi impianto per la messa in sicurezza dell impianto. La verifica dello stato di esercizio dell intero generatore richiede inoltre il monitoraggio della temperatura di alcune componenti (trasformatore, organo di trasmissione, ecc. ). Le comuni pratiche di mercato considerano normalmente la Disponibilità come parametro di riferimento per le garanzie contrattuali a carico dei manutentori degli aerogeneratori, durante la fase di gestione dei parchi eolici. Gli ultimi trend di mercato vedono nascere nuove tipologie contrattuali, in cui anche la producibilità attesa viene garantita sulla base di modelli previsionali condivisi tra Operatore e Proprietario del parco. Tali tipologie contrattuali prevedono normalmente corrispettivi variabili o strutture di garanzie finanziarie a copertura dei danni derivanti da mancata produzione. La garanzia del raggiungimento della Power Curve, tranne casi specifici in cui il contratto di fornitura preveda che questa sia garantita anche per tutto il periodo di operatività della macchina, è a carico del fornitore delle macchine per la sola durata del periodo di garanzia. Le perdite elettriche del parco eolico sono invece oggetto di garanzia a carico dell O&M contractor del Balance of Plant, che può essere soggetto diverso dall operatore che gestisce gli aerogeneratori. 18 Architettura del sistema di monitoraggio Anche nel caso dei sistemi di supervisione e monitoraggio utilizzati in ambito eolico, i sistemi si basano sull utilizzo di dispositivi SCADA. Ogni aerogeneratore è tipicamente dotato di uno SCADA che raccoglie e gestisce tutti i segnali provenienti dai vari sensori disseminati nel generatore. Questi dispositivi vengono gestiti ed interrogati dal manutentore delle macchine (attività tipicamente svolta dal fornitore degli aerogeneratori), il quale utilizza i dati ai fini di manutenzione e calcolo della disponibilità delle macchine, ma anche a scopo di ricerca e di studio del funzionamento dei propri prodotti.

20 I dati provenienti dai singoli dispositivi vengono quindi raccolti (tramite un ulteriore sistema SCADA) in un server centralizzato, utilizzato per la gestione del parco eolico. Lo standard di mercato vede l attività di monitoraggio degli aerogeneratori appannaggio dei fornitori delle macchine, i quali, grazie alle conoscenze specifiche delle tecnologie e ai dati raccolti tramite gli SCADA, sono in grado di fornire ampie gamme di servizi di Operation sulle turbine. Qualora la gestione del parco (infrastruttura elettrica e sottostazione MT/AT) venga svolta da un soggetto diverso dall operatore degli aerogeneratori, il monitoraggio dell infrastruttura elettrica del parco (effettuata tramite lo SCADA centralizzato) sarà compito del gestore del parco. 19 I sensori (la torre anemometrica) Particolare attenzione va data alla misura della risorsa eolica, ai fini della valutazione delle performance d impianto. Tale tipo di misura viene normalmente effettuata tramite stazioni meteo opportunamente dimensionate e posizionate. Il posizionamento delle stazioni meteo (torri anemometriche) viene normalmente scelto in modo tale che la misura effettuata sia rappresentativa delle condizioni reali di ventosità a disposizione degli aerogeneratori, senza che le perturbazioni prodotte dall esercizio di questi ultimi influenzino la misura stessa. Le figure seguenti mostrano alcuni esempi di stazione meteo utilizzata per il monitoraggio eolico. Fonte: IDNAMIC Lo stesso dimensionamento della struttura portante sulla quale vengono installati gli strumenti di misura è funzione della specificità della campagna di misure che si sta effettuando e delle caratteristiche strutturali del parco eolico, ed è normato dalla Norma IEC61400.

21 Anemometri Gli strumenti utilizzati per la misura dell intensità e della direzione del vento sono tipicamente gli anemometri, i quali, in funzione della tecnologia di funzionamento, si dividono in: Anemometri meccanici di tipo a coppa - Gli anemometri meccanici principalmente utilizzati per questo tipo di misure sono di tipo calibrato e classificati in termini di precisione come First Class. Il numero e il posizionamento di sensori posizionati sulla torre viene determinato in fase di progettazione della stazione meteo al fine di captare correttamente la risorsa eolica disponibile alla quota del mozzo degli aerogeneratori e alla quota minima (punto più in basso del percorso della punta delle pale). Anemometri sonici - La misura della risorsa eolica può essere inoltre effettuata mediante anemometri di tipo sonico, che utilizzano tecnologie di tipo sonar (SODAR) o laser (LIDAR). Questo tipo di strumentazione presenta il vantaggio della portabilità, in quanto tali sistemi non necessitano di installazioni fisse e sono studiati per il posizionamento a terra, permettendo la rilevazione del profilo anemologico fino ad altitudini di 200 m. Tuttavia, occorre evidenziare che ad oggi le tecnologie tradizionali sono ancora preferite come riferimento, soprattutto in ambito di sistemi afferenti a progetti finanziati. Le stazioni meteo dispongono inoltre di sensori per la misura della temperatura ambiente, dell umidità e della pressione atmosferica, in quanto questi parametri intervengono direttamente nella valutazione della risorsa eolica disponibile e della producibilità attesa dall impianto. 20 Caratteristiche dei software di controllo ed elaborazione dei dati Il sistema di monitoraggio può essere interrogato sia in locale che attraverso connessione remota, tramite appositi software di analisi mediante i quali vengono visualizzati i risultati operativi e prodotte le previsioni di produzione per il breve termine.

22 2. MONITORAGGIO DELLA GESTIONE OPERATIVA La gestione operativa degli impianti di produzione di energia elettrica alimentati da Fonti Rinnovabili (IAFR), di medie/grandi dimensioni, richiede un approccio multidisciplinare che sarà tanto più efficace quanto più questo riuscirà a conseguire gli obiettivi, tecnici ed economici, che sono stati ipotizzati in fase di progettazione dell impianto e che sono stati posti alla base di parte delle valutazioni tecniche durante la strutturazione finanziaria dell iniziativa che ne ha reso possibile la realizzazione. Il Monitoraggio della Gestione degli impianti di produzione si pone l obiettivo di tenere sotto costante controllo i parametri tecnico-ambientali degli impianti di produzione per potere analizzare l andamento delle prestazioni tecniche ed economiche, al fine di mantenere l allineamento con (o anche migliorare) i risultati operativi attesi e sintetizzati nel Business Plan dei progetti. Attraverso il Monitoraggio della Gestione è quindi possibile verificare la corretta conduzione degli impianti e di intercettare per tempo le potenziali aree di rischio di mancato raggiungimento degli obiettivi prefissati per il progetto. 21 Chi svolge questa attività Questa attività, necessaria al buon esito del progetto, può essere in alcuni casi svolta direttamente dalla proprietà degli impianti, quando questa sia dotata di una struttura di controllo sufficientemente organizzata, o altrimenti effettuata da società di controllo tecnico. Affidare il monitoraggio della gestione ad una società esterna comporta normalmente alcuni vantaggi in termini di minor effort per la struttura del progetto interna, di possibilità di avvalersi di expertise e know-how consolidati nel settore e in grado di produrre una valutazione indipendente sui risultati della conduzione del progetto. Come definire il periodo di osservazione Nell ambito del monitoraggio della Gestione Operativa, l analisi del set di indicatori di performance viene effettuata considerando dei periodi di esercizio (tipicamente annualità o semestri) distinti sulla base di: 1. Periodi contrattuali e garanzie connesse 2. Piano Economico dell iniziativa al quale l impianto afferisce Il periodo Contrattuale viene normalmente definito in annualità o semestri a partire dalla data di inizio operatività dell impianto ed è il periodo di osservazione che viene preso in considerazione per verificare il raggiungimento dei livelli di performance garantiti secondo i diversi periodi di garanzia previsti dai contratti EPC ed O&M.

23 Il periodo Caso Base viene definito come annualità o semestri a partire dalla data prevista dal Piano Economico come inizio del periodo di esercizio dell impianto. Tale periodo, che può risultare traslato rispetto al Periodo Contrattuale, prevede l analisi dei livelli prestazionali e il confronto dei risultati ottenuti con i valori attesi per il periodo. I due periodi, potenzialmente non coerenti tra loro, a causa di diverse suddivisioni dell annualità o di diverse date di inizio periodo, che contratti e modelli finanziari potrebbero considerare, vengono valutati separatamente e confrontati con i livelli prestazionali previsti rispettivamente da contratti e modelli economici. Quali verifiche e analisi vengono effettuate I controlli effettuati in fase di monitoraggio della fase operativa sono finalizzati a verificare: 1. il grado di attendibilità dei dati di esercizio forniti dai vari soggetti coinvolti nella gestione (Gestore, Operatore O&M, Sub appaltatori, ecc.) 2. la presenza malfunzionamenti/interruzioni (occasionali, frequenti o sistematiche) di servizio dell impianto 3. il raggiungimento dei livelli prestazionali garantiti contrattualmente (Contratto di fornitura, Contratti EPC ed O&M) 4. l allineamento dei valori ottenuti di produzione, ricavi e costi di esercizio nel periodo rispetto alle assunzioni del piano economico-finanziario sul quale è stata strutturata l iniziativa 22 Quali i vantaggi di un servizio strutturato di monitoraggio della gestione Il monitoraggio della gestione è, come abbiamo detto, uno degli strumenti di cui l Investitore può dotarsi per mantenere il controllo del proprio asset. Il controllo periodico dei risultati operativi dei progetti, meglio se effettuato con continuità e mediante l ausilio di strutture dedicate, permette di: verificare puntualmente lo stato di funzionamento degli impianti e, più in generale, l andamento degli investimenti intercettare nel minore tempo possibile (se non addirittura anticipare) gli eventuali elementi critici nella gestione tecnica del progetto che ne possano compromettere il buon esito identificare le possibili azioni mitiganti/correttive eseguire il follow-up degli effetti delle azioni mitiganti/correttive poste in essere

24 3. CONCLUSIONI Gli impianti di produzione di energia elettrica alimentati da fonti rinnovabili (IAFR) hanno ormai acquisito dignità di vera e propria realtà industriale, la cui buona riuscita non può prescindere da una gestione operativa adeguatamente strutturata. Parallelamente, gli operatori del settore si stanno strutturando da tempo per riuscire ad offrire servizi di manutenzione e gestione sempre più rispondenti alle necessità dei progetti più complessi. Il mercato propone tecnologie di supervisione e telecontrollo sempre più affidabili, che utilizzano soluzioni già consolidate, rispondenti a robusti standard industriali, ma che soprattutto si avvalgono di investimenti sempre maggiori da parte dei principali produttori del settore per la ricerca e sviluppo di tecnologie specifiche e mirate. Attualmente, il Monitoraggio della Gestione Operativa è pratica comune per gli impianti di produzione di grandi dimensioni, in genere realizzati anche grazie ad interventi di finanza strutturata, in quanto è questo lo strumento principale per potere garantire che gli impianti mantengano nel tempo livelli di performance adeguati per conseguire i risultati tecnico-economici attesi, come da relativo Business Plan. Supervisionare i risultati tecnici ed economici di progetti, molto spesso composti da numerosi impianti singoli, è necessità naturale degli Asset Manager, che sempre più frequentemente richiedono la collaborazione di strutture dedicate per le attività di monitoraggio tecnico. Anche gli istituti finanziatori sono sempre più propensi a seguire da vicino la fase di gestione degli stessi impianti (mediante i loro Technical Advisor), perché intuiscono il grande valore aggiunto di un controllo che non si limiti a consuntivare risultati (soprattutto se deludenti) ma che, anzi, intervenga suggerendo interventi di ottimizzazione/miglioramento degli impianti quando si intravedano scostamenti dalle baseline di produzione e, quindi, di ricavo. L estrema importanza rivestita dal Monitoraggio della Gestione Operativa è oramai confermata dall attenzione che gli operatori di mercato ripongono in tale attività. D altra parte, è altrettanto consolidata la necessità di disporre delle competenze, esperienze e strutture organizzative adeguate per potere fare fronte alle diverse sfide (tecniche e gestionali) che un Monitoraggio ben eseguito pone: affidarsi a società competenti e di provata esperienza, ancora una volta, può essere il fattore differenziante tra iniziative di successo e iniziative in costante potenziale stato di criticità. 23

25 24 OGNI GIORNO NEWS, ANALISI, COMMENTI SUL MONDO DELL ENERGIA Notizie nazionali e internazionali, normativa, statistiche, documenti, podcast e video, prodotti, eventi, news in english Giornalisti ed esperti del settore curano ed elaborano l informazione Un archivio di migliaia di news e documenti Una fonte di informazione per operatori, progettisti, installatori, enti locali, decisori politici e industriali, giornalisti, ricercatori, consumatori e cittadini QualEnergia.it anche per smartphone e tablet