Project Work

Corso Competenze per Energy Manager 2009 – esperto nella gestione dell’energia – Borgo val di Taro (PR) Consorzio Forma Futuro SEREnO – Sostenibilità Energetica, Risparmio Energetico Ottimizzazione Risorse Operazione rif. P.A. n. 2008-117/PR-1 approvata con D.G.P. n°84 del 12/02/2009 dalla Provincia di Parma e cofinanziata dal Fondo Sociale Europeo, dal Ministero del Lavoro, dalla Regione Emilia-Romagna e dalla Provincia di Parma.

Project Work Periodo dal 11/05/2009 al 25/06/2009 20 ore di stage/project work

Autore

Giuseppe Carpentieri

Sommario  Descrizione del progetto.............................................................................................................................. 3 Sito dell’installazione: perché il Mulino di Sopra ...................................................................................... 3 Fonte rinnovabile scelta............................................................................................................................... 5 L’idroelettrico ............................................................................................................................................. 5 Dimensionamento e carichi di consumo.................................................................................................. 7 Aspetto normativo ...................................................................................................................................... 13 Aspetto economico.................................................................................................................................... 14 Note bibliografiche ..................................................................................................................................... 15

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Descrizione del progetto  Installazione di un impianto micro idroelettrico nel flusso di un canale irriguo presso il ristorante “Mulino di sopra” sito in Strada dei Mulini, 3 Traversetolo (PR). La turbina sfrutta un salto di 4,4 mt che genera una potenza di 1,77 kW, pertanto si predispone una turbina Banki che può generare una potenza massima di 15 kW. L’impianto sarà connesso alla rete con modalità “scambio sul posto”.

Sito dell’installazione: perché il Mulino di Sopra 

Qui sotto la vista frontale della cascata, dalla prospettiva della finestra del ristorante.

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Qui sotto l’attacco della cascata al letto inferiore del canale.

La cascata attualmente è la peculiarità estetica del ristorante, va da se che questa componente rappresenta un vincolo costruttivo. Dove è stato inserito il trapezio, verrà applicata una passerella in legno che coprirà tutta la turbina. Riusciremo così a conservare la visione “romantica” della cascata da parte dei clienti del locale.

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Fonte rinnovabile scelta  L’idroelettrico  Le centrali idroelettriche sono state il primo tipo di impianti per la produzione di energia elettrica. L’energia può provenire dal flusso di un corso d’acqua (centrali ad acqua fluente) o dal salto che l’acqua, accumulata in un bacino naturale o artificiale, compie per giungere alla centrale (centrale a serbatoio). La potenza di un impianto idraulico dipende da due fattori: il salto (dislivello esistente fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica svasata e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso la turbina) e la portata (la massa d’acqua che fluisce attraverso la macchina espressa per unità di tempo). L’Italia è stato uno dei Paesi pionieri nell’utilizzo dell’energia idroelettrica: le prime esperienze risalgono al 1889 e 1891, rispettivamente presso Genova (Isoverde) e Roma (Acquoria, Tivoli) e per un lungo periodo questa è stata la principale fonte di energia, in un paese povero di risorse naturali, determinante sia per il progresso industriale, sia per il miglioramento della qualità della vita. Ancora agli inizi degli anni ’60 questa fonte era largamente prevalente per la produzione elettrica: nel 1963, ad esempio, copriva il 65% della domanda nazionale. Negli anni successivi l’importanza dell’energia idroelettrica è progressivamente diminuita: attualmente copre circa il 19% della domanda nazionale, poiché al vertiginoso aumento della domanda elettrica che si è registrato a partire dal “boom” economico degli anni ’60, si è fatto fronte soprattutto con centrali termiche a combustibili fossili. Nel frattempo comunque, in termini assoluti, la potenza disponibile è sensibilmente aumentata, (20.837 MW nel 2002) grazie soprattutto alla realizzazione di grandi impianti di pompaggio destinati a modulare la potenza richiesta: attualmente un ulteriore aumento della produzione da questa fonte è ipotizzabile, oltre che con l’incremento di efficienza delle centrali esistenti, attraverso il ricorso a nuovi impianti di micro idraulica. Vengono definiti micro gli impianti idroelettrici di potenza inferiore ai 100 kW. Le micro-centrali rientrano in una più ampia categoria, definita Micro-idraulica dall’UNIDO (Organizzazione delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Industriale), termine che indica le centrali idroelettriche di potenza inferiore a 10 MW.

All’interno della microidraulica vale infatti la seguente classificazione: ¾ pico centrali P<5 kW ¾ micro centrali P<100 kW ¾ mini centrali P<1000 kW ¾ piccole centrali P<10000 kW

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Sia nel caso di grandi impianti che di micro centrali, la generazione di energia elettrica per via idroelettrica presenta l’indiscutibile vantaggio ambientale di non immettere nell’atmosfera sostanze inquinanti, polveri e calore, come invece accade nel caso dei metodi tradizionali di generazione per via termoelettrica. Se progettato ad arte, un piccolo impianto idroelettrico può invece inserirsi in maniera armonica nell’ecosistema della zona interessata. Gli impianti idroelettrici di piccola taglia sono infatti caratterizzati da modalità costruttive e organizzative di scarso impatto ambientale. Inoltre, possono essere gestiti, almeno per l’ordinario funzionamento, anche da piccole comunità ed integrati in un uso plurimo ed equilibrato della risorsa acqua. In molti casi inoltre, le micro - centrali hanno effetti positivi sulla regolazione e messa a regime delle piene dei torrenti, specie in aree montane dove spesso sono causa di degrado e dissesto del suolo. In queste condizioni possono, pertanto, contribuire efficacemente alla difesa e salvaguardia del territorio.

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Dimensionamento e carichi di consumo  Pteorica = Q (l s ) ⋅ H ( m) ⋅ g ( m s 2 )

Pteorica = 60 ⋅ 4,4 ⋅ 9,81 = 2589,84W = 2,6kW Q è la portata media annua, considerando i momenti di massima (d’inverno) e minima portata (d’estate) Pmeccanica = Pteorica ⋅η turbina Pmeccanica = 2,6 ⋅ 0,8 = 2,08kW Pelettrica = Pmeccanica ⋅ η generatore

Pelettrica = 2,08 ⋅ 0,85 = 1,768kW Energia prodotta al giorno 1,768 ⋅ 0.6 ⋅ 24 = 25,45kWh / d Potenza elettrica annua prodotta considerando 15 giorni di secca del canale Panno = 25,45 ⋅ 350⋅ = 8910kWh / y Dal sito del ministero dell’Ambiente: Per produrre un chilowattora elettrico vengono bruciati mediamente l'equivalente di 2,56 kWh sotto forma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell'aria circa 0,53 kg di anidride carbonica (fattore di emissione del mix elettrico italiano alla distribuzione). Si può dire quindi che ogni kWh prodotto dal sistema fotovoltaico evita l'emissione di 0,53 kg di anidride carbonica. Quantità di CO2 evitata 25,45kWh / d ⋅ 0,531 = 13,56 kg / d Quantità di CO2 evitabile se l’energia fosse prodotta con1: •

Olio combustibile 25,45kWh / d ⋅ 0,274 = 6,97 kg / d

•

Coke 25,45kWh / d ⋅ 0,347 = 8,83kg / d

•

Cherosene 25,45kWh / d ⋅ 0,264 = 6,71kg / d

I sistemi di energia idraulica Ecowatt operano in regolazione automatica a potenza costante. Il gruppo turbina-generatore trasforma l'energia idraulica in energia elettrica in modo costante, continuativo, indipendentemente dalle richieste degli utilizzatori elettrici. Un sistema elettronico di regolazione provvede a controllare, istante per istante le condizioni di carico degli utilizzatori ed a deviare su dei sistemi dissipativi l'energia non direttamente utilizzata. 1

Dagli appunti della lezione dell’Ing. Vaja:

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Tale energia può essere recuperata sotto forma di calore, sia per il riscaldamento diretto dei locali, sia per riscaldare l'acqua per scopi igienico-sanitari. Si realizza così un sistema di cogenerazione, ossia di produzione di energia elettrica e di energia termica. Il sistema di regolazione è composto da elementi modulari che si adattano a qualsiasi tipo di impianto e di potenza elettrica generata. E' prevista una regolazione secondaria, con azionamento manuale, che permette di operare sulla portata dell'acqua per adattare la turbina ad eventuali variazioni stagionali della portata. Per una buona installazione, occorre prevedere alcune opere edili di semplice, ma indispensabile realizzazione, seguendo le indicazioni fornite con il manuale ed i disegni di base che accompagnano l'impianto. L'installazione, il collegamento, la messa in esercizio e la manutenzione delle Microcentrali Idroelettriche Ecowatt non richiedono la presenza di personale tecnico specializzato. Un installatore elettrico ed un idraulico, con l'ausilio della relativa documentazione tecnica sono ampiamente in grado di provvedere all'avviamento degli impianti che, peraltro, non richiedono alcuna taratura specifica.

Sezione geometrica (stato di fatto: cascata) per l’intervento

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Caratteristiche serie AC sincrone con girante a flusso incrociato (Fonte IREM S. Antonino di Susa, Torino)

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GRUPPO TURBINA BANKI-GENERATORE AD ASSE ORIZZONTALE Ruota a flusso incrociato Le pale della ruota sono in acciaio e vengono saldate direttamente ai dischi laterali. I mozzi sono fissati all'albero della turbina mediante due pinze coniche. L'albero della turbina ruota su cuscinetti a sfera esterni alla turbina e trasmette il moto all'albero mediante un moltiplicatore del numero di giri costituito da una coppia di pulegge con cinghia dentata di trasmissione adeguatamente protetta. Cassa turbina ed iniettore La cassa è costituita da un composto saldato in lamiera d'acciaio. In essa è alloggiato il tegolo per la regolazione manuale della portata. Nell'iniettore è ricavato uno sportello per poter accedere facilmente all'interno del medesimo ed alla ruota stessa, per consentirne l'ispezione e l'eventuale pulizia. Gruppo di alimentazione Serve per collegare la condotta forzata alla cassa della turbina ed è costituito dall'introduttore, a cui è collegata la valvola di comando dell'impianto, e dall'attacco per il manometro. Sull'introduttore è previsto un raccordo flangiato DIN per il collegamento alla condotta forzata. Generatore Vengono impiegati generatori sincroni trifase dai quali si può prelevare anche energia monofase. L'induttore rotante è a 4 poli salienti. Essi sono caratterizzati dall'assenza di spazzole. La corrente di eccitazione è fornita da un generatore ausiliario il cui rotore (indotto) è montato sullo stesso albero del generatore principale. La regolazione dell'eccitazione è di tipo voltamperometrico con sistema "Compound". I cuscinetti a sfera di tutti i generatori sono stagni per cui non richiedono alcuna lubrificazione periodica. QUADRO ELETTRICO Il quadro elettrico è costituito da un armadietto pensile in lamiera d'acciaio in cui sono contenuti i componenti. Gli strumenti del quadro monofase comprendono un voltmetro, un frequenzimetro digitale, un amperometro indicante la corrente totale erogata dal generatore ed un secondo amperometro indicante la corrente assorbita dall'utenza. Nel quadro trifase gli amperometri sono 6, tre indicano la corrente generata su ogni fase e tre la corrente assorbita dall'utilizzatore. Le protezioni del quadro monofase consistono nell'interruttore magnetotermico tripolare, che protegge il generatore da eventuali corto-circuiti sulla linea di utenza, e nella bilancia di tensione che attiva un avvisatore acustico ed uno visivo nel caso di variazione della tensione oltre i limiti di taratura prefissati. Nel quadro trifase è presente l'interruttore magnetotermico trifase e tre bilance di tensione inserite ciascuna tra una fase ed il neutro. Le morsettiere servono per i collegamenti dei conduttori del generatore, della linea di utenza e del regolatore elettronico. L'isolamento e le dimensioni dei morsetti sono adeguati alle tensioni ed alle sezioni dei conduttori normalmente utilizzati.

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REGOLATORE ELETTRONICO Il regolatore elettronico è costituito dall'unità di controllo e dalle resistenze zavorra. Il regolatore provvede a mantenere costante la tensione e la frequenza, mantenendo costante l'assorbimento dell'energia prodotta dal gruppo turbinageneratore. Tale gruppo si trova infatti a generare sempre a pieno carico ed il regolatore provvede a dissipare sulla resistenza zavorra l'energia prodotta dall'impianto e non utilizzata dall'utenza. La dissipazione dell'energia eccedente avviene in aria oppure in acqua con elementi dispersivi ampiamente dimensionati, inseriti o disinseriti automaticamente dall'unità di controllo elettronica del regolatore.

CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELL'IMPIANTO La microcentrale fornisce energia elettrica alle tensioni standard di 220V monofase e 220/380V trifase, alle frequenze di 50 e 60 Hz. Il rendimento globale dell'impianto (rapporto tra la potenza elettrica generata e la potenza idraulica disponibile) varia a seconda della potenza erogata e delle condizioni d'impiego. Tale rendimento risulta comunque sempre elevato in considerazione delle potenze in gioco.

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Aspetto normativo  L’iter autorizzativo per la costruzione e l’esercizio di un impianto alimentato da fonti rinnovabili è regolato a livello generale dal D. Lgs. 387/03 e a livello di dettaglio dalla normativa regionale e provinciale. In linea di massima, per gli impianti di potenza inferiore ai 20 kW è sufficiente presentare la DIA (Dichiarazione Inizio Attività) al Comune competente. Se però l’impianto dovesse essere ubicato in zone sottoposte a vincolo storico e/o paesaggistico, oltre alla DIA va presentata anche la Comunicazione alla Soprintendenza ai Beni Culturali e Architettonici. Requisiti normativi Denuncia di Inizio Attività (DIA) da presentare al Comune Comunicazione alla Sopraintendenza dei Beni Culturali (solo se in area sottoposta a vincolo) Richiesta al gestore di rete locale di installazione di un contatore bidirezionale Agevolazioni Poiché non considerate officine elettriche, sull’energia prodotta dagli impianti di potenza inferiore a 20 kW non grava, in base alla legge 133/9912, il pagamento dell’Imposta erariale sul consumo, prevista per gli impianti maggiori.

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Aspetto economico 

Per procedere alla valutazione economica dell'impianto idroelettrico, appurato l'andamento della potenza generabile e dell'energia effettivamente utilizzabile nel periodo di funzionamento dell'impianto stesso, si procede alla definizione di tutte le voci di costo ripartite in • •

costi di investimento: opere civili, materiali vari, macchinario, manodopera, progetto e permessi; oneri di gestione : costi di manutenzione e tassi.

Per quanto concerne i benefici ricavabili vi è sovente una notevole diversità a seconda che l'impianto sia autonomo o lavori in parallelo con la rete elettrica pubblica. In ogni caso in tali valutazioni occorre procedere il più dettagliatamente possibile ed è chiaro che la convenienza economica cresce quanto più si utilizza l'energia prodotta dall'impianto. Vi sono parecchi metodi per valutare la convenienza suddetta: alcuni metodi confrontano globalmente il costo dell'investimento con il risparmio energetico ottenibile, mentre altri metodi confrontano il costo unitario globale dell'energia auto prodotta con quello dell'energia altrimenti prevista, energia quest'ultima fornita dalla rete pubblica o da altre fonti energetiche (gruppo elettrogeno a olio combustibile, impianto a energia solare, eolica, ecc.). L'analisi economica viene estesa al tempo di vita dell'investimento e viene effettuata applicando un opportuno tasso di attualizzazione ai valori dei diversi anni.

Confronto fra il costo dell'investimento ed il risparmio energetico ottenibile Il ristorante in oggetto spende circa 2871 euro/anno per i consumi energetici. Vi è un impianto tarato sui 15kW. Applicando una turbine Banki modello FI2 si può produrre fino a 15kW per il fabbisogno necessario. Il costo dell’impianto globale (installazione e lavori) varia per kW prodotto/installati e quindi per la turbina è 1500 €/kW = 27000 euro + 1000 per i lavori di muratura e acquisto della copertura in legno che coprirà la turbina.

15kW ⋅ 24 = 360kWh / d Consumi annui (energia da fonte rinnovabile) prodotti/risparmiati considerando 15 giorni di secca del canale 360 kWh / d ⋅ 350 = 126000 kWh / y 126000 kWh / y ⋅ 0,0957 € = 12058 € / y risparmiati

Quindi l’investimento totale è di 28.000, il flusso di cassa annuo è di 12.058. Il payback è di 28.000/12.058 = 2 anni e 4 mesi Il ROR è del 43% (12.058/28.000)

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Note bibliografiche  APER (a cura di) A. Brusa E. Guarnone E. Smedile, dossier micro-idroelettrico, consultazioni internet on-line:

http://www.irem.it/ita/index.htm http://195.103.237.153/minisiti/energia/documenti/Servizi/prontuario/idroel.htm http://www.esha.be/fileadmin/esha_files/documents/publications/publications/Brochure_IT.pdf http://www.esha.be/fileadmin/esha_files/documents/publications/publications/checklist_IT-2005.pdf http://adiconsum.inforing.it/shared/documenti/doc2_59.pdf http://www.microhydropower.com/ http://www.fiesa.it/informazioni2009/noteconomia2802.pdf

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