giovedì 13 maggio 2010

Perchè il nucleare produce energia di alta qualità e le rinnovabili no

In uno degli ultimi commenti, un anonimo amico mi invita a spiegare cosa si intende per qualità dell’energia elettrica («Sarebbe interessante anche che spiegassi come fa l'energia ad essere di qualità diverse...manco fosse vino...»).
Effettivamente mi è capitato più volte di confrontare la “scarsa” qualità dell’energia prodotta dalle fonti rinnovabili, con quella di “alta qualità” delle centrali nucleari, senza entrare in ulteriori dettagli. Mi rendo conto che sia un discorso complesso e quindi provo qui a chiarire, per quanto possibile in uno spazio non troppo lungo e senza termici eccessivamente tecnici.

Con qualità dell’energia elettrica si intendono soprattutto due cose (ce ne sono altre, ma da un punto di vista tecnico queste sono le principali):

1.
  la continuità dell’alimentazione, cioè la fornitura costante senza interruzioni . Il problema non è solo di evitare black out di ore o minuti, ma anche le microinterruzioni, che, pur potendo durare solo un quarto di secondo, sono dannose per i sistemi elettronici
2.  la qualità della tensione, intesa come corrispondenza della forma d’onda dell’elettricità che abbiamo (ampiezza, frequenza, variazioni eccetera.) rispetto alla forma d'onda ideale dell'energia che vogliamo.

Garantire queste due cose è tutt'altro che semplice.
Per quanto concerne la continuità dell'alimentazione, ad esempio, in  Italia ci sono circa 1,4 milioni di km di linee elettriche, di cui più di 900 mila km in bassa tensione. Inoltre del sistema elettrico fanno parte svariate migliaia di cabine primarie di trasformazione da alta a media tensione, centinaia di migliaia di cabine secondarie da media a bassa tensione (solo Enel ne ha circa 400 mila) e varie altre cose.
Si tratta cioè di un sistema enermemente complesso dove qualunque cosa accade ad un impianto, ad un componente o a un tratto di linea si ripercuote (o rischia di ripercuotersi) a cascata sui componenti e le linee a valle.

Tuttavia la complessità non è data solo dall’imponenza delle cifre. Infatti il problema non è solo di garantire la continuità delle forniture, ma anche di fare in modo che sull'intera rete la tensione di alimentazione resti costante o comunque nei limiti previsti (non oltre ± 10% della tensione nominale), che la frequenza non abbia variazioni superiori a ±1% rispetto ai 50 Hz previsti, e che la forma dell’onda dell’elettricità che viaggia nei cavi resti “armonica”, cioè non abbia rilevanti variazioni di ampiezza, causate ad esempio da buchi di tensione (abbassamenti improvvisi e momentanei della tensione oltre il limite del 10%), sovratensioni, fluttuazioni (variazioni ripetute dell’ampiezza di tensione) o distorsioni armoniche (flussi d’onde di diversa frequenza che si creano all’interno del flusso d’onda principale).

Garantire tutte queste cose (ripeto: con oltre 1,4 milioni di km di linee elettriche e mezzo milione di impianti di trasformazione in gioco), richiede una organizzazione ed una esperienza professionale di estrema competenza. Di fatto, la gestione di un sistema elettrico è l’attività più complessa in assoluto che esista in una moderna civiltà industriale.
Richiede, tra l’altro, complicatissimi sistemi previsionali in grado di interagire con eventi imprevisti, che però devono essere immediatamente riconosciuti (ad esempio: un guasto in una centrale o in una linea, danni da fulmini, improvvisi picchi di domanda eccetera) in modo che si possa reagire ad essi letteralmente nel giro di secondi. E questo per archi di tempo che, in relazione ai vari gradi di potenza in gioco, variano dai minuti alle ore, dai giorni alle settimane, fino a molti mesi.

Si aggiunga che le reti elettriche sono state progettate e costruite con l’unico scopo di portare l’elettricità dalle grandi centrali verso gli utenti. Non prevedono la possibilità che l’energia faccia il percorso contrario (es: dal piccolo impianto fotovoltaico posizionato alla fine di una linea di bassa tensione verso la rete). E consentire quest’ultima cosa, necessaria per la diffusione delle rinnovabili (come in effetti si sta facendo, pur con molta fatica), è roba difficile, non per cattiva volontà o disorganizzazione, ma proprio per aspetti tecnici. Richiede interventi non semplici se ad immettere energia sono pochi impianti, e molto complessi e vasti quando i piccoli impianti diventano centinaia o migliaia concentrati su una rete locale. Che poi è il motivo per cui vi sono svariate zone dove si realizzano impianti rinnovabili e poi non si riesce a collegarli in rete.
In questa situazione, l’ideale astratto sarebbe di avere un centinaio di grandi centrali e basta (circa la metà di base - a carbone, nucleari o idroelettriche - e l'altra metà per seguire le variazioni di domanda e le punte - prevalentemente turbogas e idroelettrico, meglio se a pompaggio). Questa sarebbe la situazione ideale che garantirebbe la massima qualità dell’energia. Invece in Italia ci sono oltre 1.000 centrali termoelettriche e circa 2.600 centrali da rinnovabili, escluso il fotovoltaico (circa 300 grandi impianti idroelettrici, 1.800 impianti mini-idro, 150 eolici, 33 geotermici, 280 a biomasse e rifiuti e qualcos’altro. Non sono cifre esatte: sto citando a mente, ma assicuro che sono dati molto vicini alla realtà). E per finire si aggiunga che negli ultimi anni sono stati realizzati oltre 71.000 piccoli impianti fotovoltaici.

Non so se sono stato chiaro, ma, insomma, è tutta in questi dati la diversa qualità dell’energia.
Una centrale nucleare produce in modo stabile esattamente quello che noi abbiamo preventivato, quando lo vogliamo, per il tempo che vogliamo e nel punto della rete dove noi abbiamo deciso.
Una centrale rinnovabile produce quello che può in relazione alla disponibilità del vento, dell’acqua o del sole, quando queste fonti sono disponibili e in modo continuamente varabile in relazione al variare delle fonti. Tutte cose che si traducono in problemi per la qualità della tensione dell'energia.  E dove? Dove richiederebbero le esigenze di rete? No, bensì ovunque sono riusciti a realizzare la centrale gli investitori o gli speculatori. Cosa, quest'ultima, che di regola corrisponde esattamente all’ultimo posto dove un impianto dovrebbe essere situato, cioè nella parte finale della rete, dove ci sono le linee di distribuzione in bassa tensione.

Le cose ovviamente cambieranno, quando saranno realizzate le cosiddette reti elettriche intelligenti (smart grids). Che certamente realizzeremo. Ma non domani. E non gratis. Occorreranno decine di miliardi di investimenti e molti anni (decenni, probabilmente). Nel frattempo abbiamo le reti che abbiamo. Che peraltro hanno svolto egregiamente il loro compito fino ad oggi e lo fanno ancora, a parte il problema della generazione diffusa di piccoli impianti rinnovabili, comunque necessaria per soddisfare le nuove esigenze ambientali.
Ognuno è libero di immaginare un mondo diverso e migliore. Ma in questo mondo, con la rete elettrica oggi esistente in Italia, le centrali nucleari producono elettricità di alta qualità, e i piccoli impianti da fonti rinnovabili di pessima qualità.

12 commenti:

  1. un bel filmato che illustra la natura del problema e' questo

    http://www.bbc.co.uk/britainfromabove/stories/people/teatimebritain.shtml

    Roberto

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  2. A me pare che il problema di gestione della rete elettrica sia dato in gran parte da chi la richiede l'energia, in quanto la richiesta varia e bisogna seguire con la fornitura la richiesta, faccio fatica a capire come cento grosse centrali possano modulare in modo efficiente l'erogazione in base alle fluttuazioni nelle richieste. Nel caso del piccolo impianto fotovoltaico, l'energia non deve andare molto lontano, se nel mio paese ci sono 10 impianti fotovoltaici e 100 abitazioni è molto probabile che l'energia prodotta da quei 10 impianti venga utilizzata da quelle 100 abitazioni, senza dover percorrere strade contromano, o sbaglio?

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  3. sbagli in pieno

    le centrali, le grosse centrali sono come la tua pentola a pressione sul fuoco, metti il fuoco alto e senti che fa uscire più vapore, diminuisci la fiamma e fa uscire meno vapore (nella pentola a pressione è più evidente, ho usato questo esempio solo per semplicità)

    visto che si sa come andrà la domanda di elettricità in anticipo (sono previsioni attendibili al 100% con precisione di 1GW) si possono regolare centrali a carbone, gas, per entrare in funzione quando serve. per regolazioni di fino si usa l'idroelettrico.

    se te hai quei pannelli, te NON userai quella energia in quelle case, i pannelli producono di giorno, ma i consumi di una abitazione sono spalmati in tutta la giornata, ed a seconda delle famiglie anche solamente di notte. quindi di giorno te produci e dai all'esterno, ma di notte te consumi energia prodotta dal gas, NON l'energia che ha prodotto il tuo pannello fotovoltaico.

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  4. Ti faccio un esempio, ne mio paese, ci saranno 200/300 case 2 bar, un negozio di alimentari
    ed una trattoria e una decina di impianti fotovoltaici. supponiamo che in tutto
    la potenza installata sia 10*3Kwp, quindi durante la giornata avremo in ogni istante
    una erogazione massima di 30 Kw, in ogni casa c'è sicuramente almeno un frigorifero,
    non parliamo poi dei bar, dell'alimentari e della trattoria. In alcune di quelle case, compresa la mia c'è qualcuno che mette in funzione lavatrici e lavastoviglie: dubito che quell'energia non arrivi fino alla cabina in media tensione.
    E' chiaro che l'energia prodotta da fotovoltaico non può soddisfare completamente la richiesta di energia della nostra società, non lo è neanche affiancata a quella prodotta dall'eolico o dall'idroelettrico, ma può contribuire, soprattutto in condizioni estreme, d'estate quando ci sono forti richieste e l'acqua per raffreddare le centrali termoelettriche non abbonda.

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  5. no, è un suppletivo, ma come è stato scritto qui sopra, è uno fra i peggiori suppletivi, se l'acqua la comandi come uscita (centrali fluviali no, o molto poco, solo quelle alpine), quelle eoliche il vento non va e viene in mezzo secondo, per un pannello invece te hai in pochi secondi escursioni di moltissimi kW, se te hai nel tuo paese 30kW, in pochi secondi puoi passare (se a mezzogiorno) da 30 a 10kW, e non è poco, è un bello stress per le linee un cambiamento così grande. in ogni caso 1kW di fotovoltaico non permette la chiusura di nessuna centrale da 1kW di alcun genere, prendi la germania, 8GW foto, 20GW nucleare e hanno sospeso il programma di chiusura delle loro centrali nucleari, ed i loro consumi elettrici sono stabili o solo con lievi aumenti da un decennio. (ed in ogni caso i tedeschi, se la memoria non inganna, consumano 7MWh ognuno contro i 5MWh italiani, alla faccia degli spreconi italiani e dei superbi tedeschi!!!)

    certo, mettilo a roma e 20kW sono una variazione istantanea, ma in un paese 20kW sono una potenza immensa, e questo è deleterio per tutto il sistema produttivo.

    è e rimarrà un suppletivo ma per potenze irrisorie, altrimenti, come spiegato sui sopra, ci sono scompensi nella rete, diminuzione dei rendimenti delle centrali termoelettriche (e maggiori inquinamenti), se poi da questo grafico
    http://www.terna.it/default.aspx?tabid=1024
    noti che la domanda anche a mezzanotte, se non c'è acqua per la potenza giornaliera, non c'è nemmeno per quella notturna. in ogni caso gli impianti sono costruiti in posizioni tali che ci sia sempre la portata minima (per quell'impianto) tutto l'anno, altrimenti si fanno quegli obbrobro delle torri di refrigerazione, che in italia sono solo in due centrali termoelettriche ed in quasi tutte le geotermiche.
    http://www.terna.it/LinkClick.aspx?fileticket=P9Tt6Yod2oI%3d&tabid=379&mid=3013
    a pag 30 poi puoi vedere che è proprio il periodo caldo quello in cui c'è la massima produzione di idroelettrico. in ogni caso tutte le grandi centrali italiane sono sul mare, e la gran parte di quelle medie e piccole non padane idem, il fattore "mancanza acqua" è un fattore molto più ipotetico che reale, in germania e francia invece hanno molti più problemi, quindi fanno larghissimo uso di torri di refrigerazione.

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  6. Sul punto che uno sbalzo di 20 Kw sulla fornitura di potenza in un paese da 200 case possa essere una shock sono alquanto scettico, non vedo così improbabile che su 200 case ad esempio in 10 più o meno contemporaneamente accendano la lavastoviglie, abbiamo subito uno sbalzo di 20 Kw di assorbimento, mi succedeva quand'ero ad abitare in mezzo ai campi che la luce oscillasse ogni volta che attaccava l'autoclave del vicino, non dove sono ora.
    Che gli italiani abbiano un consumo di energia elettrica abbastanza basso è noto, soprattutto a livello domestico è il risultato (positivo) dei contratti standard da 3Kw.
    Che le centrali idroelettriche abbiano il picco di produzione a maggio mi pare abbastanza normale, quasi tutte le centrali idroelettriche sono in montagna ed è evidente che in quel mese, si ha il massimo riempimento dei bacini idrici.
    Sulle alternative alla refrigerazione con acqua ne so poco, ma è un fatto che tutte le centrali sono costruite lungo dei fiumi. Per fortuna si tratta di un caso per ora più unico che raro e quindi statisticamente poco rilevante, ma nel 2003 mi pare che qualche problema ci sia stato.
    Non voglio contestare la critica che il fotovoltaico o l'eolico non siano in grado di dare un apporto significativo al bisogno di energia elettrica, ma affermare che sono dannosi per via dell'instabilità dell'energia che forniscono mi pare pretestuoso o perlomeno non ben spiegato.

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  7. Molto interessante lo scambio di opinioni tra Enrico e Cristian. In generale ha ragione Enrico, ma ha anche ragione Cristian nel dire che il problema non è stato ben spiegato. A mia scusante devo però dire che per farlo, per spiegare esaurientemente, dovrei citare quanto meno un intero capitolo di un trattato di elettronica, che però sarebbe comunque di difficile comprensione.
    Il problema è la tipologia di rete. Si possono già fare oggi reti in grado di integrare centinaia o anche migliaia di impianti rinnovabili. Ma devono essere riprogettate, con costi rilevanti, enormi (decine di miliardi)se lo si vuole fare a livello nazionale. Oggi lo si sta facendo qui e là (dove è più necessario) mettendo delle "pezze", che però attutiscono il problema, non lo risolvono. Tenete presente che una rete locale viene messa in crisi (oggi e senza considerare le rinnovabili) anche solo dall'entrata in servizio di un motore industriale, che l'energia la assorbe, non la immette in rete.
    Per le rinnovabili i problemi sono parecchi. Ma soprattutto c'è un problema di sicurezza della rete. Nella rete attuale, se un impianto rinnovabile, anche solo di 20 kW, immette in rete invece di prelevare fa scattare i sistemi di sicurezza, con black out locale. Se non scattassero il problema si ripercuoterebbe a catena con black out più vasto, in ogni caso necessario per non madare del tutto a pallino l'intera rete provinciale o anche regionale. Il problema è quindi tecnico di rete, con rilevanti riflessi economici per l'adeguamento delle reti stessi (costi che, per inciso, non vengono mai attribuiti alle fonti rinnovabili).
    Con tutto ciò resta il fatto che le rinnovabili sono necessarie. Il problema, caso mai, è se ci sono delle rinnovabili più convenienti di altre. E certamente si. Solo che - ma questa è una mia discutibile opinione personale - io metterei ai primi posti, nell'ordine: il solare termico, le biomasse, il geotermico (pompe di calore), poi l'eolico e solo alla fine il fotovolatico, che ha costi assurdi e con una ricerca talmente attiva che c'è la concreta possibilità che entro 4-5 anni gli attuali pannelli siano del tutto obsoleti.

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  8. come ha detto crispi, 20kW sono uno shock molto elevato per una rete, è statisticamente improbabile che 20 persone accendano in un paese di 200 case la lavatrice in un intervallo di tempo di pochi minuti, ma MOLTO improbabile. se ti va posso provare a fare qualche conto, un impianto da 40kW con una nuvola che gli passa sopra invece cala a picco come rendimento, ed in modo istantaneo.

    quando te eri in mezzo ai campi, avevi una unica linea che portava energia a te ed al vicino, se il vicino attende il motore, devi pensare che la centralina è come se "aprisse" le valvole per far passare più elettricità.

    il risultato italiano di bassissimi consumi è una cosa buona, ma si riperquote in molte altre cose molto meno buone. la svezia ha un sacco di riscaldamento geotermico, questo consuma moltissima elettricità per funzionare, alla fine il consumo energetico totale è inferiore, ma te hai consumato un sacco di elettricità. in norvegia hanno tutto idro, ma consumano 22MWh di elettricità ognuno, e la norvegia è un paese che sta dentro kyoto, come la svezia con idro+nucleare.

    la francia sta dentro kyoto perchè ha tanto nucleare, sta introducendo l'auto elettrica e quindi diminuirà ancora le emissioni (è calcolato -90% col mix francese rispetto ad una omologa auto a petrolio), questo per dire che utilizzare tantissima elettricità ha anche risvolti positivi per l'ambiente, a seconda di come la produci.....producila col carbone come fa la cina ed è un dramma.......


    per alternative alla refrigerazione ad acqua ce ne sono, c'è il semplice refrigeramento a ciclo aperto, entra dell'acqua, la scaldi e la reimmetti nel fiume. poi ci sono le torri di refrigerazione, quelle si, "consumano" acqua perchè la fanno evaporare, e quindi ti possono servire fiumi con anche un decimo della portata per produrre la stessa quantità di elettricità. poi ci sono sistemi di refrigerazione totalmente a secco, sono esteticamente obrobriosi (più grandi delle torri per quanto ne so), ma non consumano assolutamente acqua. questo però va a rendimento elettrico a scendere, il rendimento massimo si ha con acqua di mare, poi fiume, poi fiume+torre umida, poi torre secca.


    foto ed eolo non possono essere grandi produttori proprio per l'aleatorietà, e soprattutto in italia. foto ovunque, ma in italia eolo è ben poco
    http://www.propertyinvesting.net/cgi-script/csNews/image_upload/specialreports_2edb.wind-map-england-europe-uk.jpg
    altri paesi possono avere più energia, in virtù di venti più stabili, è tutto qui, la stabilità, se te avessi venti stabili per 100gg, e poi 200gg (ma tutti consecutivi) niente, potresti benissimo essere a tutto vento e poi accendere quello che ti pare, ma come dimostra la spagna, se cerchi in rete i suoi record di produzione eolica, è molto aleatoria, in alcuni giorni i 20GW eolici spagnoli hanno prodotto 0W per alcune ore, in altri 16GW, ma tutto questo senza seguire le curve di carico di una nazione, quindi devi fare altri elettrodotti (ambientalisti protestano) allagare vallate montane per fare bacini "pila" da caricare e scaricare all'evenienza (e qui protestano tutti), quindi puoi solamente avere una piccola produzione da fonti aleatorie

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  9. Dunque, sul discorso shock posso anche essere d'accordo, la precisazione di Aldo Crispi è importante, occorre rinnovare gli impianti di rete, cosa che evidentemente a macchia di leopardo è gia stato fatta e una cosa che comunque suppongo vada fatta. Mi spiego questa eterogeità con il fatto che in effetti nella zona dove ha sede la mia azienda ci sono stati molti più black-out di quanti non se ne siano mai registrati dove abito. Anche sul mio impianto domestico da 3kw l'accensione della lavatrice è uno shock, ma non credo sia un problema.
    Per quanto riguarda i costi assurdi del fotovoltaico, direi che anche il geotermico non scherza, fra sonde e pompe di calore un impianto domestico (dove fattibile, ad esempio da me no) non credo vada sotto i 20/30 mila euro.

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  10. sul tuo impianto è uno shock, ed è un problema, ti ricordi il black out del 2003? tutta italia al buio, per un traliccio caduto si è bloccata tutta italia, è in base a cosa hai in funzione ed a cosa hai come produttore che una cosa è uno shock o meno, se fosse successo di giorno ci sarebbero stati molto meno problemi, benchè la richiesta giornaliera è molto più alta.

    per il geotermico facendo tutti i conti si, fra gasolio risparmiato (se poi introducono anche qui la carbontax come vogliono mettere nel regno unito ed in francia!!!!!), elettricità risparmiata in estate, nessun traffico di autobotti o minor uso delle condutture del gas, il saldo è positivo anche senza incentivi (se l'elettricità costasse come in francia sarebbe ancora più conveniente).

    un impianto fotovoltaico no, senza incentivi non è manco pensabile farlo, qualche esempio numerico?

    prendiamo il pannello beghelli tetto d'oro da 3kWp, cosa 11900€, ti fa circa 4200kWh in un anno in zona roma, NON consideriamo la degradazione del pannello. la corrente quanto costa per un normale utente? mi pare 16c€ (se te paghi differente, metti le tue cifre)

    allora, consideriamo la vita del pannello, in circa 25 anni, te avrai prodotto 105000kWh, a quanto corrisponde in denaro? sono esattamente 16800€, ok, sembra che sia conveniente, in 25 anni te hai speso 12 e hai risparmiato 17, PERò!!!!!

    la stessa beghelli dà un costo di lettura contatore a 60€ annui, un costo manutenzione a 240€ annui, che in 25 anni sono 7500, quindi te spendi 19500 e ricavi SENZA incentivi 16800. consideriamo poi che il pannello si degrada nel corso del tempo, quindi non produrrai più i 4200kWh di quando era nuovo, scenderai, dopo 25 anni si è ad una efficienza rispetto al pannello nuovo dell'80%. senza incentivi il fotovoltaico è in perdita, sono gli incentivi dati dalla collettività (ed oltretutto il meccanismo dello scambio sul posto, in cui te produttore non paghi l'energia che hai prodotto te, ma ricevi in ogni caso un compenso per l'energia che hai prodotto)

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  11. Il mio impianto elettrico, con qualche ovvia modifica ha 40 anni e nonostate i ripetuti shock è ancora li a fare il suo lavoro.
    Io del 2003 mi ricordo che a causa del caldo ci sono stati distacchi programmati a macchia di leopardo.
    Da me c'è il metano che costa un buon 15/20% meno del gasolio e proprio vicino a casa mia 5/6 anni fa hanno raddoppiato le condutture che portano il metano in Italia (suppongo dalla Russia) e siccome hanno speso sicuro una botta di soldi non è che non usando il metano faccio un favore ha chi ha pagato quelle condutture.
    Sul fotovoltaico sono convinto che economicamente non sia attraente, puoi anche fare il conto con una cifra più bassa di 16c€ a KWh, che è un costo che comprende varie voci, però non dimentichiamoci che anche altre fonti sono finanziate: non dimentichiamoci che il CIP6 per molti anni e tuttora va in gran parte alle cosiddette fonti assimilate e in minima parte al fotovoltaico e all'eolico.

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  12. Ma se il nucleare è poi tanto di qualità lo vorreste vicino a voi?

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