2 Aprile 2021

Variabilità e intermittenza di eolico e fotovoltaico

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Eolico e fotovoltaico sono le tecnologie su cui sono comunemente poste le maggiori aspettative di una transizione energetica verso il cosiddetto dopo-fossili. Variabilità e intermittenza sono un grosso limite, nonché causa di maggiore complessità dei sistemi elettrici e conseguente necessità di adeguamento. Per renderci meglio conto di cosa si tratta quando si parla di una fornitura elettrica fortemente intermittente e variabile, il post presenta le registrazioni della potenza prodotta dagli impianti eolici e fotovoltaici in funzione in Italia. Calandosi più nel dettaglio si osservano l’andamento di un impianto eolico da circa 100 MW situato nel Sud Italia e di un impianto fotovoltaico in Sicilia da 12,5 MW.

Eolico e fotovoltaico sono le tecnologie su cui sono poste le maggiori aspettative di una transizione energetica verso il cosiddetto dopo-fossili. Due sono le maggiori sfide che vengono comunemente riconosciute (1) trasmissibilità dell’energia e immagazzinamento e (2) variabilità e intermittenza alla produzione.

Il primo punto riguarda il fatto che eolico e fotovoltaico sono convertitori in grado di trasformare l’energia del sole e del vento in elettricità. E l’elettricità è un vettore che non si riesce economicamente a immagazzinare in grandi quantità e per lunghi periodi come avviene con petrolio, carbone e gas naturale che sono invece fonti energetiche primarie.

Per questa ragione la loro crescita è legata ad una maggiore penetrazione dell’elettricità negli usi finali di energia. E per la stessa ragione lo sviluppo di eolico e fotovoltaico è comunemente associato a quello, ancora in fase di sviluppo, delle auto elettriche e delle batterie che le alimentano e, da ultimo, dell’idrogeno verde.

Il secondo punto – la variabilità e l’intermittenza – è una rosa forse ancora più spinosa. Questa caratteristica richiede infatti un adeguamento ed ammodernamento dei sistemi elettrici sui cui si sono andati sviluppando le economie moderne ed i nostri standard di benessere.

Il complesso legame tra rinnovabili intermittenti e sistemi elettrici è stato affrontato da Giovanni Goldoni sulle pagine di ENERGIA ed è una delle concause dei recenti blackout che hanno interessato il Texas, come riportano lo stesso Goldoni e Alberto Clô su RivistaEnergia.it

La produzione elettrica da eolico e fotovoltaico presenta forti variazioni nel corso dell’anno, del mese, del giorno ed anche in una singola ora

Una misura fondamentale per comprendere le rinnovabili intermittenti come fotovoltaico ed eolico è il capacity factor (fattore di capacità), ossia il rapporto tra l’energia elettrica effettivamente prodotta in un determinato periodo di tempo e la potenza di generazione nominale dell’impianto.

Il capacity factor può essere espresso in ore o in percentuale del tempo dello specifico periodo considerata necessaria alla potenza nominale dell’impianto a fornire l’energia totale effettivamente prodotta. Un impianto con un fattore di capacità del 100% significa che produce energia in ogni momento. Si parla anche di ore equivalenti (generalmente di un anno) per produrre con la potenza nominale l’energia totale effettivamente prodotta.

Fonte: EIA.
Nota: la figura è valida per i best performant plants negli Stati Uniti con valori per vento e solare nettamente superiori alle medie italiane

Come si può vedere dalla figura, il capacity factor varia ampiamente da fonte energetica e tecnologia. Nel caso di rinnovabili come eolico e fotovoltaico bisogna inoltre considerare che il capacity factor dipende da luogo a luogo in base a variabili come la ventosità, l’irraggiamento e le ore di luce. Nella figura si considerano i best performant plants negli Stati Uniti con valori per vento e solare nettamente superiori alle medie italiane

Queste variabili fanno sì che la produzione di energia da eolico e fotovoltaico presenti forti variazioni non solo nel corso dell’anno, ma anche del mese, del giorno ed anche in una singola ora e con differenze apprezzabili anche nei diversi anni.

Per renderci meglio conto di cosa si parla quando si parla di una fornitura elettrica fortemente intermittente e variabile presentiamo le registrazioni della potenza prodotta da impianti eolici e fotovoltaici in funzione in Italia.

Di seguito sono dapprima riportate le variazioni orarie di energia immessa nella rete elettrica italiana da tutti gli impianti eolici o solari connessi e relativi ai dati preliminari di Terna per il 2020. Successivamente quelle di un impianto eolico da circa 100 MW situato nel Sud Italia e di un impianto fotovoltaico in Sicilia da 12,5 MW: dati non sempre facili da reperire e da cui si possono trarre informazioni rilevanti se non sostanziali.

Sono oltre 2.000 le ore con potenza inferiore al 10% della totale potenza eolica connessa nel 2020 in Italia

Per quanto riguarda l’eolico, la produzione totale è stata di 18.550 TWh con una capacità globale in funzione di 10,75 GW il 1° gennaio 2020 e 10,82 GW il 31 dicembre ed un capacity factor di 1.720 ore/anno. Sono oltre 2.000 le ore con potenza inferiore al 10% della totale potenza connessa e oltre 5.000 le ore con potenza inferiore al 20%.

Variazione annuale della potenza immessa in rete in MW da tutti gli impianti eolici italiani connessi

Curva di durata della potenza immessa in rete in MW da tutti gli impianti eolici italiani connessi

Quanto al solare, la produzione totale è stata di 25.550 TWh con una capacità in funzione il 1° gennaio 2020 di 20,85 GW e 21,2 GW il 31 dicembre ed un capacity factor di 1.215 ore /anno. Sono 4.500 le ore in cui non vi è stata alcuna potenza immessa in rete.

Sono 4.500 le ore in cui non vi è stata alcuna potenza fotovoltaica immessa nella rete italiana nel 2020

Totale potenza immessa in rete da tutti gli impianti fotovoltaici connessi
N.B.: non è visibile dal diagramma il valore zero di potenza durante tutte le notti

Curva di durata della potenza immessa in rete in MW da tutti gli impianti fotovoltaici italiani connessi

Rilevante come nel mese di minima potenza (dicembre) il massimo picco sia pari a poco più della metà che nel mese di massima potenza (luglio) e come i minimi picchi giornalieri in inverno siano 1/6 e 1/7 del massimo picco estivo.

I minimi giornalieri invernali del fotovoltaico sono 1/6 del massimo estivo

Confronto tra i mesi di massima e minima potenza immessa in rete da tutti gli impianti fotovoltaici

Da notare poi come i diagrammi mostrati risultino chiaramente meno severi di quelli di un singolo impianto. Se si esamina la potenza immessa in rete ogni 15 minuti da un impianto eolico da circa 100 MW situato nel Sud Italia appare chiaramente che per oltre 1.500 ore nell’anno l’impianto non ha fornito energia. Il capacity factor annuale è stato di circa 1.850 ore. 

Andamento della potenza immessa in rete dal 1° gennaio 2019 al 31 dicembre dall’impianto eolico di 100 MW

Curva di durata della potenza immessa in rete dal 1° gennaio 2019 al 31 dicembre dall’impianto eolico di 100 MW

Se si guarda l’andamento della potenza in 2 consecutive giornate di marzo, settembre e dicembre 2019 si notano quasi 2 giorni consecutivi di assenza totale di potenza e altri giorni con fortissime variazioni in aumento o diminuzione.

2 giorni consecutivi con assenza totale di energia dal vento e 2 con fortissime variazioni

Andamento della potenza di un impianto eolico da 100 MW nel sud Italia in 2 consecutive giornate di marzo, settembre e dicembre 2019

L’andamento della potenza immessa in rete ogni 15 minuti da un impianto fotovoltaico in Sicilia da 12,5 MW è simile a quello della potenza immessa in rete da tutti gli impianti fotovoltaici connessi.

191 i giorni equivalenti in cui l’impianto fotovoltaico in Sicilia da 12,5 MW non ha prodotto energia 

La curva di durata mostra invece con chiara evidenza che per 191 giorni equivalenti l’impianto non ha prodotto energia. Il capacity factor annuale è stato di circa 1.500 ore.

Curva di durata della potenza dall’impianto fotovoltaico da 12,5MW in Sicilia

Il confronto della potenza immessa in rete durante 2 consecutivi giorni soleggiati rispettivamente in luglio e dicembre mostra come l’energia immessa in rete sia ben differente e con un periodo notturno di quasi 16 ore in inverno e 12 ore in estate senza produzione di energia. Da notare inoltre lo sfasamento di 1 ora tra luglio e dicembre dovuto all’ora legale.

Confronto della potenza immessa in rete da un impianto fotovoltaico da 12,5MW in Sicilia durante 2 consecutivi soleggiati rispettivamente in luglio e dicembre

È possibile che la variabilità/intermittenza di fotovoltaico ed eolico venga colmata da una loro complementarietà?

Per valutare se la complementarietà di eolico e fotovoltaico sia o meno in grado di ovviare alla loro rispettiva variabilità e intermittenza proponiamo una simulazione dell’andamento della potenza combinata virtuale producibile da due impianti adiacenti entrambi da 50 MW nel mese di marzo e la curva di durata della potenza immessa da gennaio a dicembre.

Andamento della potenza combinata virtuale producibile due impianti eolico e fotovoltaico adiacenti entrambi da 50 MW nel mese di marzo

Curva di durata della potenza immessa da gennaio a dicembre da due impianti eolico e fotovoltaico adiacenti entrambi da 50 MW

Ne risulta chiaramente che:

  • si riducono le ore a zero potenza rispetto ad un puro fotovoltaico
  • aumenta il capacity factor a circa 2.100 ore, rispetto alle 1.850 dell’eolico e 1.500 del fotovoltaico
  • ma la variabilità risulta tuttavia notevole.

Queste osservazioni possono apparire prettamente tecniche, ma sono invece sostanziali nel dibattito sulle prospettive della transizione energetica, in particolare se 100% rinnovabile come da più parti si sostiene si dovrebbe ambire.

Il dibattito sull’idrogeno verde su cui si sono amplificati i riflettori in Italia con l’approssimarsi della redazione del Recovery Plan, ad esempio, non può prescindere da considerazioni sulla relazione tra elettrolizzatori e produzione variabile e intermittente e i fondamentali valori che devono essere garantiti per un loro efficiente funzionamento; sull’effettiva possibilità/convenienza tecnica ed economica di alimentare in tipiche condizioni italiane un elettrolizzatore da un impianto dedicato eolico o fotovoltaico; o in alternativa dai vantaggi e svantaggi di un’alimentazione dalla rete utilizzando PPA (Power Purchase Agreements) con impianti rinnovabili collegati alla rete.

Per conto nostro, queste considerazioni verranno proposte in successivi commenti su questo Blog.


Il post è parte di un quartetto di analisi composto da
1. Variabilità e intermittenza di eolico e fotovoltaico
2.
Idrogeno, elettrolisi ed elettrolizzatori: la tecnologia prima di tutto
3. Idrogeno verde: ostacoli ad un’alimentazione diretta da impianto eolico o fotovoltaico
4. Idrogeno verde: considerazioni su costi e regolazione


Alessandro Clerici è Honorary Chair di WEC Italy e FAST

Samuele Furfari è Presidente della European Society of engineers and industrialists ed insegna geopolitica dell’energia presso la Free University of Brussels



1 Commento
Rinaldo 

Complimenti Alessandro per questo ottimo articolo.

Qualora non ancora letto, suggerisco di leggere anche: “La Nave dei Folli” | Climatemonitor
http://www.climatemonitor.it


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