Altre stanze in Politiche Energetiche
Altri articoli della stanza Politiche Energetiche
L’alimentazione elettrica di aree isolate in paesi in via di sviluppo - Alessandro Clerici -
Abstract
Si evidenzia l’importanza dell’elettricità per lo sviluppo socio-economico di popolazioni in aree disagiate e si sottolineano le disparità mondiali dei consumi pro-capite. Si dimostra la convenienza, rispetto all’uso di diesel locali, del trasporto di energia elettrica anche da centinaia di km per alimentare carichi iniziali di pochi MW da centri di produzione a basso costo.
Introduzione
L’energia è sempre più importante per lo sviluppo socio-economico dell’umanità. L’attuale popolazione mondiale è di circa 6,7 miliardi (300.000 nati/giorno); occorre però notare che negli ultimi 10 anni la popolazione è aumentata del 12%, i consumi di energia primaria del 20%, e quelli di elettricità del 30%. Esistono tuttavia ancora 1,6-1,8 miliardi di persone senza elettricità.
A livello mondiale l’energia elettrica prevista per il 2030 è quasi il doppio di quella del 2007 e assorbirà per la sua produzione il 44% delle risorse energetiche (36% nel 2007). La produzione di elettricità è causa del 40% delle emissioni di CO2 da attività umane, che contribuiscono però per meno del 5% alla totale CO2 nell’atmosfera. È chiaro come il problema energia/ambiente sia globale e tutti debbano contribuire e impegnarsi nello sviluppo di popolazioni in aree disagiate [1].
A livello mondiale il consumo di elettricità procapite è di 2,5 MWh/anno; però esistono grandi differenze e si passa dagli oltre 23 MWh della Norvegia ai circa 15 di Finlandia, Svezia, Canada, Stati Uniti, ai 5,3 dell’Italia, ai 2,1 della Cina per crollare a meno di 0,5 di Africa ed Asia del Sud.
L’Africa, con il 14% della popolazione mondiale, consuma il 3% dell’elettricità globale ma il Sud Africa che ha solo il 5% della popolazione africana consuma il 40% della totale elettricità dell’Africa. Escludendo i paesi del Nord Africa e il Sud Africa, la principale fonte energetica per il resto della popolazione è il legname (> 85%).
A parte gli slums di grandi metropoli, la problematica di fornire energia elettrica a popolazioni che non ne dispongono dipende in molti casi dalla scarsa densità abitativa in aree rurali e la loro distanza da porti e grandi arterie di comunicazione. Di solito l’elettricità è prodotta con diesel locali poco efficienti e trasportando il combustibile via terra con notevoli costi ed emissioni (anche ben oltre i 1.000 km).
Le alternative per l’alimentazione di queste aree rispetto all’uso di diesel sono:
a) utilizzo di risorse energetiche locali (biomasse, mini-idro, ecc.);
b) trasporto dell’energia elettrica da “sorgenti” economicamente interessanti.
L’eventuale impiego del FOTOVOLTAICO non risulta, con i costi attuali, una soluzione praticabile su larga scala e richiederebbe stoccaggi dell’elettricità (ancora molto costosi) e/o la “riserva” di energia convenzionale. L’eolico non è conveniente in molte aree interne e valgono le stesse problematiche del FOTOVOLTAICO.
Nel 1985 è stata effettuata una prima analisi con il compianto prof. Paris [2-3] per verificare la convenienza di alimentare aree isolate tramite sistemi di TRASMISSIONE fino ad alcune centinaia di km e anche partendo da aree con bassi consumi iniziali di pochi MW ma con un POTENZIALE di aumento notevole non appena si fornisce l’energia. In questo rapporto sono riportati i risultati di studi effettuati per aggiornare al 2010 le indagini iniziali quando il prezzo del petrolio era tra i 70 e gli 80 $/BARILE, ma alla fine del 2010 il prezzo del petrolio ha iniziato a salire e specie in questi ultimi giorni è schizzato ad oltre 120 $/BARILE rispetto ai 75 dello studio. Tali valori alti per il petrolio rendono ancora più attraente la soluzione proposta.
L’alimentazione di aree isolate da sorgenti distanti ed economicamente competitive
In molte regioni in via di sviluppo come sopra accennato, i “centri di carico” sono sparsi e distanti e usualmente ognuno è alimentato da diesel locali con un sistema di DISTRIBUZIONE e con carichi di qualche MW e con notevoli costi per il trasporto del combustibile, e per l’O&M.
La realizzazione di un’unica centrale che alimenta radialmente più centri di carico anche lontani può risultare competitiva, tenendo conto delle economie di scala (investimento, EFFICIENZA dei gruppi e costi di O&M) e del “livellamento” del prelevamento della potenza, data la non contemporaneità dei carichi.
La “centrale” di origine può essere idroelettrica, a biomasse, turbogas o CICLO COMBINATO in caso di disponibilità di gas, a petrolio o carbone quando vi è disponibilità a buon mercato. Tuttavia il ragionamento sussiste, anche se si considera come sorgente di energia un sistema elettrico interconnesso, lontano dai centri di carico.
Ma quale è la “distanza di convenienza” per alimentare centri di carico lontani rispetto a diesel locali? Chiaramente i costi di TRASMISSIONE sono fortemente legati alle condizioni locali e gli esempi che si riportano devono essere considerati a livello qualitativo e devono essere adattati con un’analisi caso per caso alle esigenze specifiche.
Per quanto riguarda il sistema di TRASMISSIONE vale la pena notare che in località dove l’elettricità non c’è per 365 giorni l’anno e dove i possibili carichi sono dell’ordine del MW (con successivo drastico incremento appena si ha energia), non occorre considerare inizialmente costosi sistemi basati su modelli europei con valorizzazione del kWh non fornito di oltre 2 €. Anche sistemi con semplice circuito iniziale di alimentazione sono più che soddisfacenti. Se le esigenze di continuità fossero assunte come crescenti nel tempo con il carico e quindi con lo sviluppo socio-economico del paese, l’alternativa di una TERNA iniziale seguita da una seconda al raddoppio del carico, potrebbe essere competitiva.
Sistema di TRASMISSIONE considerato e principali ipotesi
Lo schema base è riportato in figura 1 con una sola linea presa in considerazione per le fasi iniziali, accettando una affidabilità ridotta ma aumentabile poi con l’inserimento di una seconda linea. I livelli di tensione considerati sono stati il 145 e il 245 kV.
Figura 1: Schema semplificato dei sistemi di TRASMISSIONE considerati: SR = Reattori Shunt; SC = Compensazione Serie; SVC = Static Var Compensator; HV = Alta tensione; MV = Media tensione
La compensazione di reattivo (RPC) considerata prevede sia Reattori Shunt (SR), sia Static Var Compensators (SVC) sia Condensatori Serie (SC) ed è tale da compensare le cadute di tensione e/o sovratensioni a seguito energizzazione di linee o load rejections. Per evitare eventuali sovratensioni dinamiche sono previsti trasformatori a bassa densità di flusso.
Chiaramente occorrono vincoli per evitare la simultanea partenza di grossi motori asincroni.
La massima potenza trasmissibile con e senza SC e SVC è riportata nei diagrammi di figura 2.
Figura 2: Potenza limite trasmissibile in funzione della lunghezza L e del grado di compensazione C
Le principali ipotesi considerate sono qui riassunte:
− discount rate (DR) : 11%;
− vita del sistema di TRASMISSIONE : 25 anni;
− incremento annuale del carico (LG) : 5% e 10%;
− massimo carico di un singolo sistema di TRASMISSIONE pari a 4 volte il valore iniziale e questo presuppone di alimentare il carico in eccesso con un futuro sistema;
− costo marginale di produzione di “centrale remota” di circa 100 MW pari a 5 c€/kWh;
− per i diesel locali:
• investimento (inclusa riserva, ausiliari, ecc) : [900 + D (km)] €/kW con D distanza dal porto più vicino;
• combustibile : fuel oil;
• vita dell’impianto : 12 anni.
Analisi dei risultati
Sono qui riportati in figura 3 e 4 alcuni dei risultati della analisi e in particolare quelli relativi ad un prezzo del petrolio pari a 55 $/BARILE e 75 $/BARILE (occorre notare, come sopra menzionato, che in questi giorni e salito a livelli mondiali a circa 120) e per il caso particolare di:
− lunghezza L del sistema di TRASMISSIONE da 100 a 500 km;
− distanza media D dal porto più vicino pari a 700 km;
− costi annuali di O&M del sistema di TRASMISSIONE pari al 2% dell’investimento iniziale.
Figura 3: Aree di competitività delle varie alternative in funzione della lunghezza L della linea e del picco iniziale di potenza del carico locale con costo del petrolio pari a 55 $/BARILE
Figura 4: Aree di competitività delle varie alternative in funzione della lunghezza L della linea e del picco iniziale di potenza del carico locale con costo del petrolio pari a 75 $/BARILE
Le aree di “vantaggio” della TRASMISSIONE rispetto ai diesel locali accrescono con l’aumentare del prezzo del petrolio e per un prezzo superiore a circa 115 $/BARILE la TRASMISSIONE, per il costo di “generazione concentrata” considerato, risulta sempre più conveniente di una produzione locale in caso di un tasso di incremento di carico annuale LG pari al 10%.
La tensione di 145 kV presenta una vasta gamma di vantaggi per le potenze e le distanze considerate. Nel caso di un prezzo del petrolio di 75 $/BARILE, il sistema a 245 kV risulta più conveniente di quello a 145 kV per distanze superiori ai 220 km, in caso di carichi iniziali di circa 20 MW; per carichi superiori a circa 10 MW, il 245 kV risulta più conveniente del 145 kV per distanze superiori a circa 450 km. Aumenti di carico annuale LG del 10% rendono più conveniente la TRASMISSIONE per distanze inferiori a quelle per LG = 5%, a parità di carico iniziale.
Se il grado di affidabilità è assunto proporzionalmente all’aumento di carico e quindi con lo sviluppo socio–economico del “centro di carico”, l’utilizzo di un circuito iniziale seguito da un secondo circuito, quando il carico raddoppia, è l’unica alternativa che può far partire l’elettrificazione a costi accettabili (partire con 2 circuiti “ucciderebbe” la TRASMISSIONE).
Conclusioni
L’Africa e l’Asia sono le regioni dove è concentrata la maggioranza degli 1,6 miliardi di persone senza elettricità e d’altra parte sono le regioni che hanno sviluppato di meno le enormi potenzialità idroelettriche e delle biomasse. [2]
Sia progetti di sviluppo locale di grandi centrali a basso costo (Inga, Camerun, Etiopia, Cina, SE Asia) abbinate a sistemi di TRASMISSIONE e DISTRIBUZIONE, sia lo sviluppo di centrali di medie dimensioni (centinaio di MW) che alimentano radialmente più aree isolate (economia di scala e diversità dei prelievi di carico) sono strade da percorrere.
Le prime vedono chiaramente tempi lunghi e grosse problematiche politiche, le seconde sono più praticabili a breve purché si adottino tecnologie e livelli di affidabilità iniziali consoni ai locali livelli di industrializzazione. Non possiamo “uccidere il bambino nella culla” con costi esorbitanti per l’energia fornita legati a standards non applicabili. Chiaramente con l’evolversi dello sviluppo socio-economico i livelli di affidabilità andranno aumentati.
Per “centro di carico” caratterizzato da piccoli carichi iniziali dell’ordine di 2–3 MW a qualche decina di MW la TRASMISSIONE di energia anche a distanze di centinaia di km da centrali o sistemi elettrici con costo del kWh intorno ai 5 c€ risulta più conveniente rispetto alla generazione locale con diesel; questo nel caso di località aventi distanze maggiori od uguali a 700 km dal porto più vicino.
Alti prezzi del petrolio superiori a circa 115 €/MW ed aumenti di carico superiori al 6–7% all’anno rendono la TRASMISSIONE nettamente più economica a generazione locale con petrolio.
Bibliografia:
[1] E. Colombo, G. Cassetti: Accesso all’energia nei paesi poveri: una leva per lo sviluppo, AEIT, giugno 2011.
[2] A. Clerici, L. Paris: Transmission planning in developing countries, CIGRE, Paper 120-05, Dakar, 1985.
[2] S. Bazzocchi, A. Clerici, L. Paris: Economie di risorse nella fornitura di energia elettrica in aree all’inizio del loro sviluppo, Atti del Convegno AEIT, 1986.